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Der experimentelle Nachweis von Gravitationswellen in diesem Frühjahr hat Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie grandios bestätigt. Bis allerdings das Phänomen der Gravitation verstanden ist, hat die Physik noch eine Herkulesaufgabe vor sich. Ein grosser nächster Schritt ist das LISA-Experiment mit Beteiligung von Universität und ETH Zürich.
Bisweilen hat man den Eindruck, Geschichte würde sich wiederholen. So war es auch im Februar dieses Jahres, als die Forscher der LIGO-Kollaboration den experimentellen Nachweis von Gravitationswellen Bekanntgaben. Man fühlte sich unweigerlich an das Jahr 2012 erinnert, als die Forscherteams des ATLAS- und des CMS-Experiments am CERN die Entdeckung des Higgs-Bosons verkündeten. In beiden Fällen gelang Physikern der experimentelle Nachweis eines Phänomens, an dem seit Jahrzehnten gearbeitet worden war. In beiden Fällen bedurfte es eines ausgeklügelten und teuren Messgeräts, um ein sehr schwaches Signal einzufangen. Und in beiden Fällen konnten Experimentalphysiker eine vor langer Zeit erstellte Theorie verifizieren: Im Fall der Higgs-Entdeckung war es die Bestätigung eines Mechanismus', den Peter Higgs und weitere theoretische Physiker knapp 50 Jahre zuvor postuliert hatten. Im Fall der Gravitationswellen eine 100 Jahre alte Voraussage aus Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie bestätigt.
LIGO misst eine minimale Längendifferenz
Die Wissenschaftler hatten im Herbst 2015 mit den zwei LIGO-Detektoren (Laser Interferometer Gravitation Wave Observatory) jeweils ein Signal gemessen. Daraus konnten sie mit stupender Genauigkeit ablesen, wie vor 1,3 Milliarden Jahren zwei Schwarze Löcher verschmolzen sind: Die Schwarzen Löcher von jeweils 200 km Durchmesser waren etwa 350 km voneinander entfernt, stürzten in einer spiralförmigen Bewegung aufeinander ein und verschmolzen miteinander. Da die Schwarzen Löcher mit rund einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit unterwegs waren, dauerte dieser Vorgang nur knapp eine halbe Sekunde, und genau so lange war auch das Signal, das die beiden LIGO-Detektoren empfingen. Bei der Verschmelzung strahlen die Schwarzen Löcher drei Sonnenmassen Energie in Form von Gravitationswellen ab. Diese Wellen erreichten dann nach einer 1,3 Milliarden Jahre langen Reise am 14. September 2015 um 9 Uhr, 50 Minuten und 45 Sekunden den LIGO-Detektor in Livingston (Louisiana) im Südosten der USA – und sieben Millisekunden später den Detektor in Hanford (Washington/USA) an der amerikanischen Westküste. Die LIGO-Forscher erkannten die Gravitationswellen daran, dass sie die 4 km langen Messarme der Detektoren leicht stauchten bzw. streckten. Die Differenz zwischen Stauchung und Streckung betrug lediglich 4 x 10^(-18) m, weniger als der Tausendstel eines Protonen-Durchmessers. Verursacht wurde die Differenz durch eine Krümmung der Raumzeit.
Kein vermittelndes Teilchen in Sicht
Die Gravitation ist – so die einheillige Auffassung der modernen Physik – eine von vier Grundkräften der Natur, neben der elektromagnetischen, der starken und der schwachen Wechselwirkung. Für die drei letztgenannten Kräfte weiss man heute, dass sie durch Teilchen vermittelt sind, nämlich durch Photonen (elektromagnetische Wechselwirkung), Gluonen (starke Wechselwirkung) bzw. durch W- und Z-Bosonen (schwache Wechselwirkung). Für die Graviationskraft haben Physiker ebenfalls ein vermittelndes Teilchen postuliert, das Graviton. Dieses wurde bisher aber nicht gefunden. Gibt das LISA-Experiment Hinweise auf den Verbleib dieses Teilchens? „Nein, das Graviton hat man nicht entdeckt“, lautet ohne Wenn und Aber die Antwort von Philippe Jetzer, Professor für theoretische Physik an der Universität Zürich und führender Schweizer Gravitationsforscher. Gravitationswellen kann somit, anders als Lichtwellen, die als Teilchen (Photonen) beschrieben werden können, kein Teilchen zugeordnet werden? Philippe Jetzer schüttelt den Kopf: „Eine Gravitationswelle ist eine Krümmung der Raumzeit. Hätte diese Welle eine Teilcheneigenschaft, was sollte das bedeuten? Der Teilchen-Wellen-Dualismus, wie wir ihn aus der Quantenmechanik für das Licht kennen, ergibt für die Gravitation keinen Sinn. Eine tiefere Einsicht könnte erst durch eine quantenmechanische Formulierung der Gravitation erfolgen - dies ist bisher allerdings noch keinem gelungen.“, so Jetzer.
Impulse für die Astroteilchenphysik
Der Nachweis des Higgs-Bosons am CERN vor vier Jahren war ein grosser Erfolg der Teilchenphysik. Im Vergleich zu jener Entdeckung bringe der jüngste Nachweis der Gravitationswellen die Teilchenphysik nicht „unmittelbar“ voran, sagt Philippe Jetzer. „Abgesehen davon natürlich, dass LIGO die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) triumphal bestätigt hat und damit einen Grundpfeiler der fundamentalen Physik.“ Jetzer ist aber überzeugt, dass von den neuen Erkenntnissen aus der Gravitationsforschung in Zukunft Impulse für die Astroteilchenphysik ausgehen könnten. So etwa für die Beantwortung wichtiger Fragen zur Dunkle Materie und Dunklen Energie, die das Universum neben der uns bekannten Materie ausfüllen.
Auf LIGO folgt LISA
In einem Punkt stehen Gravitationsforschung und Teilchenphysik vor exakt derselben Herausforderung: Um in Zukunft neue Erkenntnisse zu gewinnen, sind sie auf noch sensitivere Messgeräte angewiesen. So wird in der Teilchenphysik intensiv über neue Beschleuniger debattiert, die den Large Hadron Collider (LHC) am CERN nach dessen geplanter Ausserbetriebnahme Mitte der 2030er Jahre ablösen könnten. Die Gravitationsforscher haben für diese Zeit schon sehr konkrete Pläne: Sie planen, mit LISA im Jahr 2034 ein neues Experiment in Betrieb zu nehmen, das sie seit 2003 vorbereiten und das für Gravitationswellen noch viel sensitiver sein wird als LIGO. Mit LISA, so die Hoffnung, könnte die Annäherung von zwei Schwarzen Löchern nicht erst in der letzten halben Sekunde vor der Verschmelzung beobachtbar sein, sondern schon Sekunden, Minuten oder sogar Stunden vorher. Da LISA längere Wellen mit einer Frequenz von 1 bis 10^(-5) Hz detektieren kann (LIGO: 10 – 10 kHz), könnten mit dem Experiment Verschmelzungen von sogenannt supermassiven Schwarzen Löchern (Millionen oder gar Milliarden von Sonnenmassen) beobachtet werden. Damit könnte im besten Fall ein wichtiges Postulat der modernen Kosmologie bestätigt werden: dass sich nämlich im Zentrum jeder Galaxie ein supermassives Schwarzes Loch befindet.
Schweizer Beiträge zu LISA-Pathfinder
Während die LIGO-Detektoren am amerikanischem Boden arbeiten, werden die LISA-Detektoren in den Weltraum zu stehen kommen. Um das LISA-Experiment im Kleinformat auszuprobieren, schoss die Europäische Weltraumagentur ESA im letzten Dezember den LISA-Pathfinder ins All. Von Frühjahr bis Ende 2016 führt der LISA-Pathfinder Experimente durch, mit denen die Wissenschaftler Erfahrungen für den Aufbau des eigentlichen LISA-Experiments gewinnen wollen. Philippe Jetzer hat dieses Experiment als Mitglied des Science Teams begleitet, während sein ETH-Kollege und Geophysiker Prof. Domenico Giardini technische Beträge zu dem Projekt leistete (Frontendelektronik, Steuerung der Düsen). Bis LISA Gravitationswellen messen kann, sind noch Jahre der Entwicklung nötig. Denn die Messarme für die Detektion der Längendifferenzen aufgrund der Krümmung der Raumzeit sind bei LISA nicht mehr 4 km lang wie bei LIGO, sondern 1 bis 5 Mio. km im interplanetarem Raum. Philippe Jetzer ist heute 58 Jahre alt, 2034 wird er im Ruhestand sein. Trotzdem hofft er, an dem neuen grossen Gravitations-Experiment in der einen oder anderen Form teilhaben zu können: „Wir kommen mit LISA gut voran. Vielleicht können wir das Experiment sogar vorziehen, wer weiss?!“
Autor: Benedikt Vogel