Kosmische Wellen-Surfer

Mit LISA soll die Gravitationswellenforschung ins All abheben – und damit ermöglichen, den Ursprung von Gravitationswellen zu orten. Bis jetzt konnten wir Gravitationswellen ausschließlich aus der Fusion von zwei Schwarzen Löchern messen – und aus diesem Signal auch ihre Entfernung ermitteln. Doch wo genau aus dem Weltraum sie zu uns gekommen sind, ist ungewiss. Das heißt im Klartext: Die Erforschung der Gravitationswellen stand bisher als wissenschaftliche „Parallelwelt“ gänzlich isoliert neben der astrophysikalischen Beobachtung des Himmels.

Forscher sagen uns: Gravitationswellen breiten sich im Universum mit Lichtgeschwindigkeit ungestört aus und verändern dabei die Geometrie der vierdimensionalen Raumzeit. Unabhängig davon breitet sich elektromagnetisches Licht aus. Bei gewaltigen Supernova-Explosionen zum Beispiel entstehen einerseits Gravitationswellen, andererseits kommt es zu starker elektromagnetischer Strahlung. Dennoch können wir bisher beide Himmelsphänomene nicht zur Deckung bringen – anders gesagt: Wir wissen derzeit nicht, welchen Ursprung die drei schon nachgewiesenen Gravitationswellen haben. Das hat möglicherweise zwei ganz anders gelagerte Ursachen. Zuerst einmal diesen: Wir waren mit den derzeitigen erdgebundenen Detektoren des Projektes LIGO auf den Bereich von Signalen zwischen 10 und 10.000 Hertz beschränkt – und können Gravitationswellen daher nur im Sekundenbereich beobachten. Die extrem kurzen Signale sind dabei mit zwei Anlagen nur vage zu orten. Aber liegt es tatsächlich nur an der mangelhaften Lokalisierung, dass es bisher nicht gelungen ist, die Gravitationswellen mit beobachtbaren Phänomenen zur Deckung zu bringen? Nochmals gesagt: Bisher wurde bei den drei nachgewiesenen Gravitationswellen ausschließlich die Verschmelzung von jeweils zwei Schwarzen Löchern beobachtet. Möglich wäre also ebenso – und das ist eine ganz anders gelagerte Thematik -, dass diese Quellen elektromagnetisch tatsächlich dunkel und daher astrophysikalisch für unsere Instrumente unsichtbar sind. Das könnte der Fall sein, wenn es jeweils zwei alt gediente Schwarze Löcher waren, die da fusionierten: Himmelsexoten, die alle Materie in ihrem Nahbereich bereits vorher gänzlich in sich eingesaugt haben. Denn Schwarze Löcher können wir nur dann beobachten, wenn Materie, bevor sie dann ins wahrhaft Schwarze Loch entschwindet, in dessen Nahbereich stark beschleunigt wird und dabei eben elektromagnetisch stark zu strahlen beginnt. Ist aber keine interagierende Materie im Nahbereich vorhanden, bleibt das Schwarze Loch für uns astrophysikalisch tatsächlich ganz im Dunkeln.

Mit dem Aufbau neuer Gravitationswellen-Detektoren in Japan und in Indien soll es im Verbund mit den beiden Detektoren des US-geführten Projektes LIGO und dem jüngst hinzu gekommenen italienischen Labor Virgo bald möglich werden, die Herkunft von erfassten Gravitationswellen wesentlich präziser zu orten. Noch besser stehen die Chancen, Phänomene der Gravitationswellenforschung und die der Astrophysik zur Deckung zu bringen, wenn die Messung der Gravitationswellen ins Weltall verlegt wird. Darauf müssen wir aber noch knapp zwanzig Jahre warten. 2034 soll LISA abheben, eine ESA-Mission, die nach der im Juni 2017 erfolgreich abgeschlossenen Vorläufer-Mission LISA Pathfinder in die Phase der technologischen Konzeption eingetreten ist. Drei Satelliten werden ein gigantisches Laser-Interferometer im Weltall aufspannen. Die Dimensionen im All sind ganz andere als die in irdischen Labors, wo die Interferometer-Arme gerade einmal vier Kilometer lang sind. Im Weltraum stehen mit LISA künftig Armlängen von 2,5 Millionen Kilometern zur Verfügung. Klar, dass das den messbaren Frequenzbereich verändert: von 1 Hertz bis hinunter zu 10-5 Hertz soll LISA die Gravitationswellen detektieren, also deutlich niedrigere Frequenzen beobachten als dies mit irdischen Observatorien derzeit möglich ist. Das erhöht zuerst einmal die Zeitdauer, in der die Signale messbar bleiben: von Sekunden bis Minuten in den irdischen Anlagen auf die Größenordnung von Stunden bis Jahren im All. Das wird auch die Bestimmung der räumlichen Herkunft der Signale deutlich verbessern. Denn während dieser Zeit wandert das Inferferometer im Schlepptau der Erde um die Sonne. Unter anderem erlaubt der durch die Satellitenbewegung entstehende Doppler-Effekt, den Ursprung der Quelle zu berechnen. Der viel tiefer liegende messbare Frequenzbereich erlaubt es zumindest in der Theorie, Wellen zu messen, die aus viel größerer Entfernung zu uns kommen. So hoffen Himmelsforscher bereits darauf, mit Gravitationswellen künftig sogar die elektromagnetisch finale Beobachtungsmauer der Hintergrundstrahlung durchbrechen zu können und damit direkt bis zum Urknall vorzustoßen. Mehr über die Erforschung von Gravitationswellen aus dem Orbit hier jetzt auch in meinem Talk mit Dr. Jens Reiche, dem nationalen Koordinator von LISA Pathfinder, vom Albert-Einstein-Institut.

Für die Himmelskundler des 21. Jahrhunderts öffnet die Gravitationswellenforschung neben dem bisherigen Beobachtungsfenster elektromagnetischer Wellen jetzt ein zweites, ein komplementäres Fenster, das uns eine ganz neue Sicht auf das Universum geben wird. Davon schwärmt auch der LIGO-Lab-Chef David Reitze gern öffentlich. In der Pressekonferenz zur Bekanntgabe des ersten Nachweises ließ er sich nicht lumpen und verglich die Leistung des eigenen Teams schon mal kühn mit Galileos Beitrag für die Astronomie: So wie dieser mit dem Einsatz eines Fernrohrs die moderne Astrophysik begründet hat, wird auch die Erschließung der Gravitationswellen den Beginn einer neuen Epoche der Himmelsphysik markieren.

Der Sprechertext zur Reportage über Gravitationswellen ist, wie üblich, auf HYPERRAUM.TV zu finden.

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Ich habe viele Jahre journalistisch im Bereich Wissenschaft und Technologie gearbeitet, später dann mit meiner kleinen Beratungsfirma als Medienexpertin. 2010 erfüllte ich mir meinen großen Traum und gründete den Spartensender HYPERRAUM.TV, für den ich eine medienrechtliche Rundfunklizenz erteilt bekam. Seither mache ich als One-Woman-Show mit meinem „alternativen TV-Sender“ gewollt nicht massentaugliches Fernseh-Programm. Als gelernte Wissenschaftshistorikern habe ich mich gänzlich der Zukunft verschrieben: Denn die Vergangenheit können wir nur erkennen, die Zukunft aber ist für uns gestaltbar. Wir sollten versuchen, nicht blind in sie hinein zu stolpern!

16 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Physiker sind die ersten Wissenschaftler die es gewohnt sind in vielen Jahren, ja Jahrzehnten zu denken, wenn es um Fortschritte in ihrer Wissenschaft geht. Beispiele dafür gibt es viele: Die in den 1930er Jahren theoretisch ausformulierte und unverändert immer noch gültige Quantentheorie trägt beispielsweise erst heute – 80 Jahre später – Früchte in Form der zweiten Quantenrevolution mit ihren Quantencomputern und der Quantenmetrologie (Messgeräten, die Quanteneffekte ausnützen). Das Higgs-Boson, in den 1960er Jahren vorausgesagt, wurde erst kürzlich nachgewiesen. Und auch die Gravitationswellen fügen sich in dieses Bild. 1916 von Albert Einstein vorausgesagt wurden sie erst kürzlich direkt vermessen. Und jetzt sind Gravitationswellenobservatorien geplant, die erst in Jahrzehnten stehen werden. Das LISA- Weltraumobservatorium ist eines der ersten einer ganzen Reihe von Weltraum- und auch irdischen Gravitationswellenobservatorien, die immer weiter in das Gravitationswellenrauschen hineinhorchen werden, welches uns seit dem Urknall (der inflationären Phase) umgibt. Mit Gravitationswellenobservatorien wird die Menschheit den Schleier heben können, der den eigentlichen Urknall von der direkten Beobachtung verbirgt, denn sogar das frühe Universum war – im Unterschied zu den ersten Massen und Strahlungen – durchsichtig für Gravitationswellen. Gravitationswellen werden die Physiker und Astronomen noch viele Jahrzehnte beschäftigen und sie werden noch lange für Überraschungen gut sein.

    • Das japanische Dezi-Herz Gravitationswellenobservatorium DECIGO wird direkt die Gravitationswellen nachweisen, die beim Urknall entstanden sind. DECIGO besteht wie eLISA aus 3 Satelliten, die aber nur 1000 km auseinanderliegen, dafür aber mit einer hochempfindlichen Interferometriemethode (Fabry-Perrot) arbeiten.(Zitat Gravitational Wave Project Office)

      Das primäre Ziel von DECIGO ist es, den Anfang des Universums (10-36-10-34 Sek. Nach dem Anfang) direkt zu beobachten und damit seinen geheimnisvollen Ursprung zu enthüllen. Dies ist nur durch die Erkennung von Gravitationswellen möglich, da elektromagnetische Wellen uns keine direkten Informationen über die ersten 380.000 Jahre geben können. Weitere Ziele sind die Messung der Beschleunigung der Ausdehnung des Universums, um die dunkle Energie weiter zu charakterisieren und die Bildung von Riesenschwarzen Löchern im Zentrum der Galaxien zu beobachten.

  2. Was ist denn mit der Verzerrung des vierdimensionalen Raums und der Frage, ob wir das in unserer “dreidimensionalen Welt” beobachten können gemeint? Unsere Welt ist auch vierdimensional. Und der vierdimensionale Raum, um den es geht, ist ja in Wirklichkeit genau die vierdimensionale Raumzeit unserer Welt. Das ist in dem Beitrag missverständlich formuliert.

    • Danke für den Hinweis. Wenn ich das richtig verstanden habe, wirken sich die Gravitationswellen nur räumlich aus. Insofern ist es das Dehnen und Stauchen von Abständen, nicht eben die Zeit, die gemessen wird. In diesem Sinn scheint mir die Aussage mit der “dreidimensionalen Messung” korrekt, aber der Experte möge mich gern tiefer aufklären.

  3. “Wir wissen derzeit nicht, welchen Ursprung die drei schon nachgewiesenen Gravitationswellen haben.”

    Meine Rede 🙂

    Man spricht von doppeltem Nachweis: Gravitationswellen + Schwarze Löcher. Aus meiner Sicht ist das eher ein halber Nachweis oder gar keiner. Die Form detektierter Signale kann auf Gravitationswellen hindeuten, falls Schwarze Löcher wirklich existieren. Gibt es sie nicht, dann ist die Signale nur übliche Glitches, wie Abertausende und Millionen andere Glitches, die in LIGO-Detektoren stets (jede Sekunde) auftauchen.

    • Bald wird man wöchentlich Gravitationswellen von der Verschmelzung schwarzer Löcher und der Verschmelzung von Neutronensternen registrieren – nur schon weil Ligo und Virgo immer empfindlicher gemacht werden, aber auch weil neue, von Beginn weg sehr empfindliche Detektoren dazukommen. Mit mehreren Detektoren wird auch die Lokalisation präziser. Schliesslich wird man sogar Gravitationswellen von stabilen Binärsystemen detektieren. Diese Objekte wird man auch in Teleskopen sehen.
      Wenn man Gravitationswellenereignisse nur ein paarmal im Jahr empfangen könnte wie jetzt, dann wäre das Ganze wirlich fragwürdig und unbefriedigend. Doch das wird nicht so bleiben.

      • “Bald wird man wöchentlich Gravitationswellen von der Verschmelzung schwarzer Löcher und der Verschmelzung von Neutronensternen registrieren – nur schon weil Ligo und Virgo immer empfindlicher gemacht werden”

        Das sollte schon vor einem Jahr geschehen… und nicht geklappt. LIGO blieb bei fast gleicher Empfindlichkeit und VIGRO badet im Sumpf von Geräuschen.

    • LIGO ist noch lange nicht am Ende seiner “Rüstungsspirale”. Gemäss A Comprehensive Overview of Advanced LIGO ist folgendes zu erwarten:

      Einmal vollständig in Betrieb genommen werden die Advanced LIGO-Detektoren sich spiralförmig annhähernde Sternpaare bis zum 1.4-fachen der Sonnenmasse und bis zu einer Distanz von 300 Megaparsec detektieren. Das ist das 15-fache der initialen Detektionsdistanz und wird zu 3000 Mal häufigeren Ereignissen führen. Neutronenstern/Schwarzloch-Binärsysteme werden bis zu einer Distanz von 650 Megaparsec registiert werden und verschmelzende schwarze Löcher werden bis zu der kosmologischen Distanz von z=0.4 (5.6 Milliarden Lichtjahre) sichtbar sein.

      Die Erwartungen sind also hoch. 3000 Mal mehr Ereignisse (im Endausbau zu erwarten) würden bedeuten, dass jeden Tag mindestens ein Gravitationswellenereignis registriert würde.

      • Einmal vollständig in Betrieb genommen…

        Aus meiner Sicht widerspricht dieser Anfang dem darauffolgenden Rest 😉

        Wenn LIGO-Fachleuten beim Beseitigen der Störquellen auch endlich den in den Detektoren versehentlich eingebauten Chirps-Generator finden und ihn eliminieren, dann werden ja überhaupt keine Chirps geben, d.h. keine Events mehr 🙂

  4. Warum kein Wort zu den Gerüchten eines optisch identifizierten Gravitationswellensignals?

    Das ist nämlich eine sehr interessante Sache: Aufgrund dieses Gerüchtes wurde mir plötzlich klar, dass man mit solchen Ereignissen – vielleicht sogar schon mit einem einzigen! – nachprüfen kann, ob Gravitationswellen wirklich Einstein- bzw. Tensorwellen sind oder vielleicht doch Vektorwellen, wie sie Heaviside schon 1893 vorhersagte; ich zitiere mich selbst aus dsp:

    http://www.wolff.ch/astro/LIGO-VIRGO-Kommentar.pdf

  5. Susanne Päch schrieb (15. September 2017):
    > Forscher sagen uns: Gravitationswellen […] verändern […] die Geometrie der vierdimensionalen Raumzeit.

    Kann man gelten lassen.

    > Mit LISA soll die Gravitationswellenforschung ins All abheben […] Drei Satelliten werden ein gigantisches Laser-Interferometer im Weltall aufspannen.

    Forscher wie insbesondere J.L.Synge (und einige Forscher, die sich damit auseinandersetzen, was er zu sagen hatte), sagen allerdings, dass (mindestens) fünf sich gegenseitig (z.B. interferometrisch) beobachtende Beteiligte erforderlich wären,
    um “die Geometrie der vierdimensionalen Raumzeit” (hinsichtlich der Region, in der sie enthalten waren) festzustellen;
    und dadurch auch herausfinden könnten, ob und in wie fern sich diese Geometrie ggf. verändert hätte.

    p.s.
    SciLogs-Kommentar-HTML-Test:

    “10<sub>-5</sub> Hertz” wird dargestellt als: “10-5 Hertz”.

    p.p.s.
    SciLogs-Kommentar-LaTeX-Test:

    “\( 10^{-5}~{\rm Hz} \)” wird dargestellt als “\( 10^{-5}~{\rm Hz} \)”.

    • @Herrn Wappler – zu ps/pps: Ich verstehe nicht, worum es geht. Wenn ich mit einem anderen Browser ins Netz gehe, also nicht bei ScoLogs eingeloggt, dann sehe ich die 10 hoch -5 korrekt abgebildet? Auch auf meinem Surface, wo ich noch nie mit SciLogs eingeloggt war, sehe ich es richtig?

      • Susanne Päch schrieb (18. September 2017 @ 11:58):
        > @Herrn Wappler [ 17. September 2017 @ 12:21 ] –
        > zu ps/pps: Ich verstehe nicht, worum es geht.

        Dann zunächst einmal vielen Dank für die Rückmeldung!
        (Betreffend das eventuelle Verstehen dessen, was in meinem Kommentar dem “ps” vorausging, mache ich mir um so weniger Illusionen.)

        > Wenn ich mit einem anderen Browser ins Netz gehe, also nicht bei SciLogs eingeloggt, dann sehe ich die 10 hoch -5 korrekt abgebildet […]

        Damit ist offenbar ausschließlich “die10 hoch -5” gemeint, die im obigen SciLogs-Beitrag einmal auftaucht, nämlich im Satz, der mit “Klar, […]” beginnt.
        (Diese sehe ich auch korrekt abgebildet. …)

        Aber jene “10 hoch -5“, die ich (zumindest ansatzweise) versucht habe, in meinem obigen Kommentar korrekt zu schreiben? — Die sehe ich nicht korrekt abgebildet.
        (Wer doch?.)

        Ich erkenne noch nicht einmal einen Versuch der SciLogs-Software, aus den HTML-Befehlen, die ich im meinem Kommentar aufgeschrieben hatte, eine korrekte Abbildung zu erzeugen
        (denn ansonsten wäre, aufgrund eines Versehens meinerseits, “diejenige -5” halb-richtiger Weise zumindest tiefgestellt abgebildet worden).

        Es geht mir also zusammenfassend um die (Schaffung der bisher offenbar nicht vorhandenen) Möglichkeit für SciLogs Kommentatoren, korrekt aus SciLogs-Artikeln zu zitieren.

        (Dabei nähme ich natürlich auch gern in Kauf, dass sich daraus noch weitergehende Möglichkeiten für Kommentatoren ergäben; z.B. anstatt “die erwähnte 10 hoch -5” nur zu zitieren, auch selbständig etwa nach “10 hoch -6” zu fragen und dabei auch solche nicht direkt zitierten Zahlen genauso korrekt abbilden zu können.)

        Und wie im Memo meines obigen Kommentars angedeutet:
        Dieses Anliegen wurde doch sogar schon einmal mehr oder weniger zur Kenntnis genommen.

        p.s.
        Die inzwischen wahlweise zur Verfügung stehende Kommentar-Vorschau funktioniert für mich offenbar meistens (um meine Erfolgsrate noch zu verbessern, sollte ich mir vielleicht angewöhnen, in jedem Fall zuerst ein neues “Zahlenrätsel” anzufordern ?).
        Und, falls so, erleichtert sie mir das Kommentieren erheblich. — Vielen Dank dafür!

        p.p.s.
        Gerade habe ich die Vorschau-Funktion in einem der (bisher leider) wenigen SciLogs-Beitrags-Seiten ausprobiert, die den Einsatz von \( \Latex \)-Befehlen zur korrekten Abbildung von Formeln unterstützen.

        Leider zeigt die Vorschau die entsprechenden korrekten Abbildungen nicht! (Und lässt noch nicht einmal erkennen, ob sich bei Verarbeitung der Befehle eventuelle Fehler ergeben würden.)
        Dieser Zustand ist natürlich noch immer unbefriedigend. …

        • Es tut mir leid, wenn ich Sie offenbar de-illusioniere. Sehen Sie es mir bitte nach, ist nicht absichtlich. Für mich stehen hier einfach zwei wissenschaftliche Aussagen gegeneinander. Die – zugegebenermaßen in der Zahl nicht repräsentativen – Wissenschaftler, mit denen ich gesprochen habe, sagten mir übereinstimmend, dass die Berechnung des Ursprungs von Gravitationswellen anhand von drei Satelliten vor allem wegen der länger beobachtbaren Signale (Zeitraum bis zu etlichen Monaten) und durch die laufende Lageveränderung des Dreiecks im Raum berechenbar sein sollte. Manche erwarten sogar, dass schon bald eine Lokalisierung gelingen wird durch die größere Zahl von global verteilten irdischen Messstationen. Tatsächlich gibt es Gerüchte, dass möglicherweise eine erste Lokalisierung einer Gravitationswelle und deren Zuordnung zu einer optisch sichtbaren Quelle bereits erfolgte, wie ebenfalls von Peter Wolff angemerkt wurde. Offiziell veröffentlicht wurde dazu bisher aber noch nichts. Ich halte es bei diesem Thema für sinnlos, dazu meine eigene, zweifellos gänzlich irrelevante Meinung abzugeben, was hier richtig oder falsch ist. Vielleicht findet sich ja ein kluger Kopf, der dazu Stellung bezieht.

          Wegen des ps: Ich habe noch mal einen Anlauf bei Spektrum gestartet, denn ich weiß sehr wohl, dass es dazu zwischen uns schon vor einigen Monaten einen Austausch gab. Ich war nur der Meinung, dieser Vorgang wäre erledigt, und hier wäre etwas Neues aufgepoppt. Offenbar wurde das Problem seitens IT von Spektrum tatsächlich immer noch nicht gelöst.

          • Susanne Päch schrieb (18. September 2017 @ 15:59):
            > Für mich stehen hier einfach zwei wissenschaftliche Aussagen gegeneinander. […]

            Danke jedenfalls für die Gelegenheit, der einen Aussage (“Zur Feststellung von Geometrie der vierdimensionalen Raumzeit reichen drei Satelliten aus.”) eine gegenteilige Aussage (“Zur Feststellung von Geometrie der vierdimensionalen Raumzeit sind mindestens fünf Satelliten erforderlich.”) gegenüberstellen zu können;
            öffenlich, Barriere-frei, archiviert und (deshalb) auch einigermaßen auffindbar und diskutabel für alle, die ihre Meinung dazu vertreten wollen.

            (Und wie schon an anderer Stelle bemerkt:
            Ich wünschte, dass die Bereitstellung solcher öffentlicher, Barriere-freier, archivierter Gelegenheiten durch einen angemessenen Anteil des Beitrags für Öffentlichkeitsteilhabe entlohnt bzw. gefördert würde.)

            > Vielleicht findet sich ja ein kluger Kopf, der dazu Stellung bezieht.

            Allerdings ist wohl kaum zu erwarten, dass sich zweikluge Köpfe” fänden, von denen einer nur die eine Aussage für vertretbar hielte, der andere aber nur die andere.

            > Wegen des ps: […]

            Hiermit nochmals meinen öffentlichen (und ggf. archivierten) Dank für die Bemühungen;
            und meinen öffentlichen (und ggf. archivierten) Tadel für die (zumindest aus meiner SciLogs-Kommentatoren-Sicht) bisher wenig sorgfältige Umsetzung.

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