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Sensationelle Entdeckung: Warum sind Gravitationswellen so spektakulär?

Sensationelle Entdeckung: Warum sind Gravitationswellen so spektakulär?

Warum sind Gravitationswellen und die Kollision von Neutronensternen so spektakulär? Das sagt der Wuppertaler Professor Karl-Heinz Kampert dazu.

Wuppertal. Nicht nur die Fachwelt der Astrophysiker ist immer noch völlig aus dem Häuschen — über die Entdeckung, die man am Montag einer breiten Öffentlichkeit vorstellte: Wissenschaftler haben Gravitationswellen entdeckt, verursacht von der Kollision zweier Neutronensterne. Warum löst dies so einen Hype aus und wie erklärt sich dieses Ereignis? Wir sprachen darüber mit Karl-Heinz Kampert, Professor am Lehrstuhl für Astroteilchenphysik an der Bergischen Universität Wuppertal.

Foto: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Herr Professor Kampert, wie erklären Sie Physik-Laien, was Gravitationswellen sind?

Karl-Heinz Kampert: Wir alle kennen elektromagnetische Wellen — etwa vom Telefonieren oder Radiohören. Da werden geladene Teilchen schnell hin und her bewegt und die dabei erzeugte Strahlung durch den Raum transportiert. Bei Gravitationswellen hingegen werden keine Ladungen bewegt, sondern Massen. Die hierbei erzeugte Strahlung geht aber — anders als die elektromagnetische Strahlung — nicht durch den Raum hindurch, sondern verändert den Raum selbst. Sie staucht und verzerrt ihn. Es ist wie bei einem gespannten Plastiknetz, auf das man mit dem Finger tippt. Es vibriert.

Und in diesem Fall hat die Kollision zweier Neutronenstern das „Plastiknetz“ zum Vibrieren gebracht?

Kampert: Ja, man kann sich das so vorstellen: Legt man auf dieses Netz ein Gewicht, dann zieht dieses das Netz nach unten, dellt es ein. Und wenn sich noch eine weitere kleinere Masse auf dem Netz befindet, dann rutscht diese auf die Delle zu. Das ist dann die Gravitation. Wenn, wie hier die Neutronensterne, zwei Massen heftige Bewegungen vollführen, dann gerät dieses Netz in Vibrationen. Diese Bewegungen sind die Gravitationswellen.

Wie werden die Gravitationswellen gemessen?

Kampert: Mit Interferometern. Das sind zwei Arme von je vier Kilometern Länge, durch diese bewegt sich ein Laserstrahl durchs Vakuum und wird durch Spiegel reflektiert. Vereinfacht gesagt wird eine Gravitationswelle dadurch registriert, dass sich die Entfernungen, die die Laserstrahlen zurücklegen, durch die Gravitationswellen verändern.

Auslöser der nun gemessenen Gravitationswellen war die Verschmelzung zweier Neutronensterne. Können Sie beschreiben, was das ist?

Kampert: Ein Neutronenstern ist ein massereicher Stern in seinem Endstadium. Eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 20 Kilometern, die aber bis zu zwei Sonnenmassen enthält. Ein Fingerhut eines Neutronensterns entspricht etwa der Masse eines Eisenwürfels mit einer Kantenlänge von 700 Metern.

Und zwei dieser Neutronensterne sind zusammengekracht. Das ist 130 Millionen Jahre her. Als auf der Erde die Dinosaurier lebten und vom Menschen noch nicht die Rede war. Nun heißt es, dass die Neutronensterne in einer Entfernung von 130 Millionen Lichtjahren kollidierten. Brauchten also die Gravitationswellen so lange Zeit, um hier registriert zu werden? Pflanzen auch sie sich mit Lichtgeschwindigkeit, also 300 000 Kilometern pro Sekunde, fort?

Kampert: So ist es. Dass das Lichtsignal und die Gravitationswellen uns gleichzeitig erreicht haben, zeigt, dass sich beides mit gleicher Geschwindigkeit bewegt hat. Das ist eine Bestätigung der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Albert Einstein beschrieb die Gravitationswellen schon vor 100 Jahren. 2015 wurden sie nachgewiesen und eben erst gab es dafür den Physiknobelpreis. Warum jetzt der „Jubel“ in der wissenschaftlichen Welt über die bahnbrechende Entdeckung, was ist anders als 2015?

Kampert: Weil wir nun ein neues Sinnesorgan für die Wahrnehmung des Geschehens im Universum haben. Dass man jetzt gewissermaßen nicht mehr nur sehen kann, was im Universum stattfindet (elektromagnetische Strahlung mit Hilfe von Teleskopen). Sondern dass man nun auch „hören“ kann. 2015 wurde das neue Sinnesorgan, das Messen der Gravitationswellen, erstmals eingesetzt. Damals wurden zwei verschmelzende schwarze Löcher registriert. Doch man konnte die Quelle nicht sehr genau orten. Nun haben die Wissenschaftler diese „Sinnesorgane“ kombiniert: Sie können nicht mehr nur mit ihren Teleskopen „sehen“, wenn etwas passiert, sondern gleichzeitig auch „hören“ — mittels der Gravitationswellen.

Zwei Sinnesorgane wurden also zusammengeschaltet.

Kampert: Ja, und so lernen wir viel mehr über den beobachteten Auslöser des Ereignisses. Diese zusammengeführte Information war der große Durchbruch. Man konnte förmlich zusehen, was da passiert. Wie bei der Verschmelzung der Neutronensterne hochenergetische Lichtstrahlung entstand. Anschließend konnte man zwei Wochen lang das „Nachglühen“ verfolgen. Wie schwere Elemente entstanden. Das war eine Schatztruhe, die sich da geöffnet hat.

Wer hat diese Schatztruhe geöffnet?

Kampert: Mehr als 3000 Wissenschaftler weltweit haben sich mit einer Vielzahl von Einzelmessungen zu einer gemeinsamen Publikation zusammengefunden. Observatorien weltweit informieren sich über entsprechende Vorgänge und tauschen Daten aus. An dieser Zusammenarbeit sind auch wir von der Bergischen Universität beteiligt. Mit dem Pierre Auger Observatorium in Argentinien und am IceCube Observatorium am Südpol.

Was verspricht sich die Wissenschaft von der neuen Messmethode? Gibt es bald Neues vom Urknall?

Kampert: Wir werden messen können, wie schnell das Universum auseinanderstrebt. Und entsprechend rückblickend auch neue Erkenntnisse über den Urknall gewinnen. Wir werden viel mehr lernen über die Entstehung der Elemente. Auch Sie und ich sind aufgebaut aus Elementen, die irgendwann einmal aus Neutronenstern-Verschmelzungen oder Supernova-Explosionen entstanden sind. Wir sind im wahrsten Sinne Sternenstaub. Und wir werden besser verstehen, wie die schweren Elemente auf der Erde wie Uran, Silber und Gold entstanden sind. Auch Ehering und Goldkettchen sind Reste von Neutronensternen.