Von Visualisierungen und Bildkulturen der Wissenschaft sprechen Philosophie und Didaktik seit Jahrzehnten. Ein Besuch bei Geo600 im Rahmen eines Musikfestivals klärt über neue Perspektiven auf! Allmählich, ganz langsam entdecken sie die Sonifikation des Universums: sowohl in der Forschung als auch in deren Vermittlung in Kino und Schule.

Gerade fing die Philosophie an, das Schlagwort “iconic turn” von Gottfried Böhm (1994) zu etablieren, da erschien bereits im Kino der erste Vorbote des “acustic turn”. Sie alle kennen vermutlich noch dieses Bild (klick auf Bild führt zum damaligen Kinotrailer (1997) auf YouTube):

Star-Schauspielerin Jodie Foster sitzt vor dem VLA-Gelände und lauscht mit einem superbequemen Sennheiser-Kopfhörer Tag und Nacht ins Weltall. Hier wird schon vorweg genommen, was für Gravitationsphysiker inzwischen tatsächlich Alltag geworden ist: Man sitzt nicht nur am Rechner, simuliert ein Experiment, baut es anschließend im Labor auf und prüft dann, wie gut Experiment und Simulation zusammen passen. Man lauscht auch mit dem Experiment ins All.

allg. informierendes “YouTube” über LIGO, ein amerikanisches Experiment (engl):

Symbiose von Kunst und Physik

Bei einem Besuch an der Außenstelle Sarstedt des Max-Planck-Instituts für Graviatationsphysik (AEI) lauschen die Gäste des Musikfestivals unter dem Slogan “Wurzel von Musik = Energie Quadrat” einer Simulation, wie sie sich die Wissenschaft derzeit vorstellt:

Wie geht das?

Haben wir nicht mühsam in der Schule gelernt, dass das All im wesentlichen leer ist mit ein paar einsamen Himmelskörpern, zwischen denen im Wesentlichen leerer Raum ist? Und haben wir nicht auch gelernt, dass Schall eine mechanische Welle ist, die zur Ausbreitung stets ein Medium braucht, also in Luft oder Wasser oder Stein irgendwelche Elementarteilchen mechanisch schwingen? – Ja, das haben wir gelernt und das ist beides korrekt.

Was sich jedoch der Alltagserfahrung entzieht: Auch der leere Raum kann ein solches Medium sein – auch er kann schwingen. Der Raum ist biegsam, wie wir uns das heutzutage vorstellen. Sie alle kennen aus dem Fernsehen Bilder von gekrümmten Räumen um irgendwelche Massen, wo das Licht abgelenkt wird. Bilder wie das hiesige nebenstehende von der sehr schönen, didaktische-Materialien-Webseite von Matthias Borchardt.

Nun stellen Sie sich dieses hier animiert vor (siehe Animatiönchen rechts von wikipedia … wobei ich diese Darstellung etwas irreführen finde, weil es aussieht, als wäre die Welle longitudinal: besser, wenngleich auch verbesserungswürdig sind die Spinnennetz-Simulationen von Markus Pössel auf eintein-online.info: s.u.), wenn nicht eine Masse allein im Raum hockt, sondern sich zwei Massen umeinander bewegen oder ein Stern als Nova oder Supernova zuerst implodiert und dann explodiert. … Solche an sich schon dynamischen Prozesse im Raum verändern die Struktur des Raums, sie erzeugen Raumwellen, also “Wellen im Raum” analog zu den alltagsbekannten “Wellen im Wasser”, den Wasserwellen, sind dies hier so genannte Gravitationswellen.

Dies sind transversale Wellen im Raum, die sich mit der höchsten Signalgeschwindigkeit (c) ausbreiten. Ihr Medium, in dem sie sich ausbreiten, ist also der Raum selbst, d.h. er ist es, der die Wellenbewegung ausführt. Es handelt sich hierbei also nicht im Entferntesten um irgendwas lichtähnliches (denn bei Licht schwingt ein elektromagnetisches Feld) und darum ist es vllt. ein bißchen irreführend, hier von Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit zu sprechen … aber es ist der gleiche Betrag in m/s oder so. 🙂

Eine fundierte Internetquelle zum Thema wurde im letzten Einstein-Jahr 2005 eingerichtet: einstein-online.info In dem nebenstehenden Spinnennetz läuft die Welle von hinten auf uns zu – also senkrecht zur Bildschirm-Ebene – und verlängert bzw verkürzt damit die Abstände (blau) der roten Knotenpunkte des Raums rhythmisch.

Gravi-wellen-Detektor

Für Gravitationswellen ist bisher nur ein indirekter Beweis erbracht worden. Dafür gab es immerhin einen Nobelpreis und zwar im Jahre 1993. Die Forscher hatten ein rotierendes Paar von Neutronensternen beobachtet, nachgewiesen, dass die Rotation um den gemeinsamen Schwerpunkt immer schneller wird, d.h. dass das System Gravitationsenergie verliert – und zwar um genau denjenigen Betrag, von dem man aus der modernen (Einsteinschen) Gravitationstheorie erwartet, dass er in Form von Gravitationswellen abgeführt wird.

Das Problem aber ist, dass noch nie jemand eine solche Gravitationswelle direkt nachgewiesen hat. Es ist, als würde man mit dem Rücken zur See am Strand stehen und die Erosion eines Kreidefelsens systematisch nachmessen, ohne aber jemals eine Wasserwelle gesehen zu haben, die den Stein abtransportieren – man weiß einfach, dass sie da sein müssen, weil man die Erosion beobachtet.

Analog ist es mit den Gravitationswellen im Raum: Niemand hat jemals gesehen, dass der Raum tatsächlich schwingt – sondern man weiß nur, dass der Energiebetrag, den eine solche Schwingung kosten würde, tatsächlich systematisch aus einem gewissen Neutronenstern-Paar verschwindet.

An verschiedenen Orten auf der Erde und im All baut man Gravitationswellen-Detektoren, die die Aufgabe haben, eine Astronomia Nova – nämlich eine “akustische Astronomie” einzuläuten. Sie sollen

1. den direkten Nachweis erbringen für die Existenz der Gravi-Wellen
2. dann mit diesen in Gebiete vordringen, die “optisch” nicht erreichbar sind.

Wie funktioniert ein solcher Detektor?

Dafür müssen sie auf eine Messgenauigkeit gebracht werden, die relative Längenänderungen von einem Zehntausendstel Atomkerndurchmesser (10^-19 m) bringen. Es gibt verschiedene Bauarten von Detektoren, aber der hier vorgestellte Detektor bei Hannover ist ein Interferometer, d.h. ein Gerät mit zwei Armen, die gleich lang sind, aber senkrecht zueinander gehalten werden (Abb. links).

Falls sich nun der Raum verformt, müsste der vordere Arm gegenüber dem seitlichen Arm etwas länger oder kürzer werden. Wodurch auch immer er verursacht wird: Der Längenunterschied der beiden Arme ist winzig klein … eben ein Zehntausendstel Atomkerndurchmesser auf eine Messtrecke von etwa 1 km.

Quellen dieser Raumverformung müssen dabei kosmischen Ursprungs sein, damit wir sie überhaupt registrieren. Im Grunde verformt natürlich jede Masse den Raum, also ein Tanzpaar, das sich wirbelnd umeinander bewegt, erzeugt natürlich auch eine solche Raumwelle. Problem dabei ist, dass die Masse der Tanzpartner sehr klein ist, wenn es sich dabei um Menschen handelt. So kleine Raumwellen können derzeit nicht gemessen werden – zumal wir uns sogar damit schwer tun, die Wellen zu messen, die zwei umeinander “tanzende” Sterne machen.

GEO 600 der MPG

Unser Detektor hier bei Hannover hat eine Armlänge von 600 m (daher der Name), wobei der LASER-Strahl darin aber einmal hin und wieder zurück läuft. Effektiv ist also die Messstrecke 1.2 km lang:

(Das blaue Pfeilchen im Bild gibt die N-Richtung an.)

Die Arme von anderen Detektoren auf der Welt sind teilweise viele Kilometer lang. Ist dann Geo600 schlechter,  “also heißt z.B. 4 km Armlänge des LIGO-Detektors in Louisiana (US) auch viermal genauer als unser 1km-Detektor?”

“Nicht unbedingt” antwortet der Forscher Hartmut Grote vom AEI. Man kann sich das eher so vorstellen, wie beim Radio: Wenn man die Antenne länger oder kürzer macht, dann bekommt man einen anderen Frequenzbereich und das heißt einen anderen Sender. Die Sender in der Astronomie sind natürlich kosmische Objekte, also Supernovae, Doppel-Neutronensterne oder rotiernde Schwarze Löcher. Je nach Detektorlänge erreicht man eine andere Sorte von Objekten: die große LIGO-Antenne “hört” rotiernde Neutronensterne und die kleine Sarstedter Antenne würde eher Supernovae “hören”. Wenn es nun pro Galaxie rund alle 50 Jahre eine Supernova gibt, dann können wir also abschätzen, wie lange wir maximal warten müssen bis man in Sarstedt so reagiert wie Jodie Foster im obigen Trailer (bzw im Film). 🙂

Da man bisher in sämtlichen Betriebsjahren leider noch gar nichts gemessen hat: Kann es auch sein, dass die Messmethode falsch ist? Also, könnte es auch sein, dass wir einfach nach dem falschen suchen?

Im Grunde ja, das könnte sein und wenn man auch in den nächsten zehn Jahren keine Wellen misst, dann sollte die Wissenschaft sich das ernsthaft fragen. ‘Erkenntnistheoretisch ist das genau die richtige Frage,’ ist mein erster Gedanke und auch Grote antwortet: “auch das wäre an sich eine sensationelle Entdenkung, wenn wir dies nachweisen würden, denn dann wäre die Allgemeine Relativitätstheorie falsch … ” … oder ‘zumindest unvollständig’, denke ich. Zunächst brauchen wir aber eine Arbeitsthese, mit der unser Weltbild in sich stimmig ist und dafür eignet sich eine in den meisten anderen Bereichen gut geprüfte Theorie wie ART ziemlich gut. Versuchen wir also zuerst den Nachweis von Graviwellen bis uns die Theorie vom Gegenteil überzeugen wird. 🙂

Und so lange versuchen wir mit Geo600 und anderen Interferometern, relative Änderungen der Armlängen von den Apparaturen nachzuweisen. Zum Erzielen der hohen Messgenauigkeit brauchen wir als Mess-Zeiger einen Laserstrahl (hier: mit einer sehr kurzen, unsichtbaren Wellenlänge: wir würden die Augenschädlichkeit erst merken, wenn’s schon zu spät ist, weil der Lidschlussreflex nicht funktioniert – darum trägt man in der Nähe des Lasers Brillen) im Vakuum und das ist in den 600 m langen Röhren, die bei Sarstadt auf dem Feld liegen.

Hier die offizielle Seite von Geo600.

Die Röhre in der Bildmitte ist ein Stück Tubus von der Laser-Tube: Ultra-leicht und super-dünn, denn man wollte Materialkosten sparen, weil das Projekt – so erzählt man sich noch immer – nach der deutsch-deutschen Wiedervereinigung zusammengekürzt worden ist. Deswegen guckt “ein Stein” hier in die Röhre (frei interpretiert, smh).  

Erkenntnisziele

Wozu will die Astrophysik diesen “großen Lauschangriff” aufs Universum starten? Nun, vielleicht nicht wegen der Grünen Männchen und Weibchen aus Contact und Co. Die Erkenntnisziele haben ihre Wurzeln in einer viel grundlegenden Neugier der Forschung schlechthin: Wir wollen einfach wissen, wie es in den Sternen drin aussieht, wie die Welt dort funktioniert, wo unsere Augen nichts mehr sehen. Hören reicht in diesem Sinne aber viel weiter, denn “sehen” können wir stets nur die Oberflächen, also bis zur Grenze der Opazität.

Das kennt schon jedes Kind, das zum Arzt geht: Sehen kann man vom menschlichen Körper nur die Haut, also die Oberfläche – aber Mediziner können mit Stethoskopen auch er”horchen”, was in der Lunge oder im Bauch des Menschen vor sich geht. Gravitationswellendetektoren sind also die Stethoskope der künftigen Astronomie.

Man hofft, so Informationen über das Innere von Sternen oder anderen undurchsichtigen Dingen im Universum zu bekommen. Vieles, wo der Sehsinn bereits an Grenzen stößt, kann das Ohr noch erforschen. Tricksen wir hierbei? – Nein! Wir übersetzen nur ein Signal von einer Raumschwingung in eine elektrische Schwingung mit der gleichen Frequenz, die wiederum mit einem Lautsprecher in eine mechanische Schwingung übersetzt wird. Im Grunde macht sowas ähnliches auch ein Radio.  

Wie das ein Astrophysiker (und Musiker 🙂 ) erklärt, der für seine Sonifikationen bekannt ist

Hier ein Interview von Felix Oelmann vom Hildesheimer Lokalsender “Radio Tonkuhle” mit Dr Peter Aufmuth, der eigentlich am Samstag Abend in Hildesheim bei dem Musik-Festival Musik21 auftreten wollte – aus Krankheitsgründen allerdings leider absagen musste:

(Ich habe dieses Radio-Interview mit ein paar Bildern von “unserem” hiesigen Detektor aus Sarstedt unterlegt. Sarstedt ist auf der Karte am Anfang markiert: es liegt etwa in der Mitte zwischen Hildesheim und Hannover.)

Zu Besuch beim Detektor in Sarstedt

Als Ersatz für Herrn Aufmuth führte Hartmut Grote die neugierige Gruppe von Künstlern, Amateurastronomen und interessierten Laien über das Detektorgelände in Sarstedt. Einige interessante Fragen wurden gestellt und fürs Radio einige Interviews aufgenommen, die ich hier ebenfalls wiedergegeben habe.

Der Detektor – sagt man – ist derart empfindlich, dass man damit die Brandung des Atlantik an der nordfranzösischen Küste hört. Dazu sind Sender und Empfänger sehr schwingungsarm als doppelte Pendel aufgehängt, deren Schwingung ggf. jederzeit durch eine elektromagnetische Kopplung gedämpft wird: siehe Bild rechts.

Der Laserstrahl muss auf einen halben Millimeter genau durch die großen Blöcke gelenkt werden, damit er noch den Spiegel trifft. Er flitzt dazu durch ein “gequetschtes Vakuum” in den hauchdünnen Metallröhren. Zu große Erschütterungen – Erdbeben z.B. – stören also die Apparatur. Wenn man ein Signal registriert, also eine Änderung der Armlänge des Interferometers, muss man stets schauen, welche Ursuchen es noch geben kann außer den gewünschten Gravi’wellen. Ist z.B. ein Flugeug gerade über uns hinweggeflogen, war wahrscheinlich dies der Übeltäter, der uns hier einen Streich spielen wollte. Die vorbeifahrenden Autos auf der Landstraßen liegen allerdings glücklicherweise in einem anderen Frequenzbereich – das ist also so, wie wenn sie beim Radio ja auch nicht UKW und MW gleichzeitig hören, sondern eben nur einen bestimmten Frequenzbereich auswählen.

Und hier ein Bild vom Herzen des Detektors: Hier in der Mitte laufen die Strahlen los und auch nach der Reflexion wieder zusammen:

Große Hoffnungen

“Derzeit ist Geo600 der einzige Detektor auf der Welt, der gerade arbeitet,”sagt Grote. Die anderen befinden sich entweder erst im Aufbau (in Japan) oder in Reparatur/ Aufrüstung. Darum sei es so wichtig, dass man unbedingt kontinuierliche Messungen unternimmt und man hat sogar ein Warnsystem, das bei wichtigen Ereignissen den beteiligten Analytikern eine SMS aufs Mobiltelefon schickt!

Forschung passiert heute in großen Netzwerken, erläutert er in einem Interview: Neutrino-Detektoren warnen die Gravi-wellen-Analytiker und diese wiederum sagen den optischen Astronomen Bescheid, wenn sie meinen, dass eine Region besonders beobachtenswert sei. Analog natürlich auch umgekehrt.

Insgesamt sucht man also fieberhaft nach dem “letzten” Beweis der ART und den kuriosen Wellen, mit denen man in die Sterne hinein”horchen” können soll.

“Viel Glück!”

wünschen die Künstler beim Abschied dem Physiker, der hier stellvertretend für die moderne Astronomie steht und dem dankbaren weltlicheren Völkchen seine Geräte erklärt hat … und fahren zurück in die Stadt der zahlreichen Kirchen, wo am Abend ein paar (simulierte) Gravitationswellen in den historischen Gemäuern der alten Marienburg erklingen sollten.

NACHTRAG, 23.11. 2012

Download eines weiteren Radiobeitrags auf Radio Tonkuhle von Felix Oelmann:

Hier noch ein Video aus unserem Hause (Spektrum der Wissenschaft) von meinen professionellen (Journalisten)Kollegen:

und hier der Artikel, in den die eingebettet war:

http://www.spektrum.de/…/auf-der-jagd-nach-gravitationswellen/

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Gimmick

Hildesheim – die Stadt der zahlreichen Regenbögen

Newton-Zitat: I don’t know what I may seem to the world, but, as to myself, I seem to have been only like a boy playing on the sea shore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, whilst the great ocean of truth lay all undiscovered before me.