„Das Signal stach sofort ins Auge“

Die Entdeckung von Gravitationswellen am 14. September 2015 krönt eine jahrzehntelange Suche mit ausgeklügelten Methoden. Entscheidenden Anteil am Erfolg hat das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik mit seinen Standorten in Golm und Hannover. Dort forschen die Wissenschaftler an innovativen Techniken sowie an theoretischen Modellen, virtuellen Simulationen und an der Datenanalyse. Über deren Arbeit sowie Bedeutung und Folgen der Entdeckung sprachen wir mit den Direktoren Bruce Allen, Alessandra Buonanno und Karsten Danzmann.

Herr Allen, Frau Buonanno, Herr Danzmann: Als Mitglied eines internationalen Netzwerks von Gravitationswellendetektoren, der LIGO- Virgo-Kollaboration, sind Sie und die Mitarbeiter ihres Instituts maßgeblich an der ersten Messung von Gravitationswellen beteiligt. Herzlichen Glückwunsch!

Alle drei: Vielen Dank!

Haben Sie mit der Entdeckung zu diesem Zeitpunkt gerechnet?

Karsten Danzmann: Nein, überhaupt nicht. Das kam völlig überraschend. Die US-amerikanischen LIGO-Detektoren – sie sind wie unser Detektor GEO600 auch nach dem Prinzip eines Michelson-Interferometers konstruiert – befanden sich Mitte September 2015 nach einer längeren Umbauphase zunächst im Testbetrieb. Der wissenschaftliche Messbetrieb sollte wenige Tage später beginnen. Es wurde noch überprüft, ob die Instrumente wie geplant arbeiten. Das war in der Tat der Fall. Aber dass sie so gut funktionieren und in der Lage sein würden, gleich ein Gravitationswellensignal zu empfangen – das hat niemand erwartet.

Bruce Allen: Das Signal kam am 14. September 2015 am späten Vormittag mitteleuropäischer Zeit herein, in den USA war es Nacht, und die Kollegen dort schliefen. So haben es zwei Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik als erste auf ihrem Bildschirm gesehen, wenige Minuten, nachdem die Detektoren angeschlagen hatten. Die beiden untersuchten die Daten für einige Stunden und schickten dann eine erste E-Mail an die Kollaboration. Wir konnten es erst gar nicht glauben. Vor allem war das Signal so stark und sah so perfekt aus, dass wir uns zunächst gefragt haben, ob es tatsächlich echt ist.

Karsten Danzmann: Dazu muss man wissen: Zu Testzwecken wird regelmäßig das Eintreffen von Gravitationswellen in den Detektoren simuliert. Zum einen testen wir damit die Funktionsfähigkeit der Geräte, zum anderen überprüfen wir die Detektionskette und stellen sicher, dass die Wissenschaftler unabhängig arbeiten.

Bruce Allen: In den ersten Wochen nach der Entdeckung hatten wir tatsächlich Bedenken, dass jemand aus Versehen ein künstliches Signal injiziert haben könnte oder vergessen hatte, uns darüber zu informieren. Wir haben sehr viel Arbeit investiert, um das ausschließen zu können. Doch am Ende stand fest: Das Signal stammt aus dem All. Wir sind Zeuge davon geworden, wie in einer fernen Galaxie zwei schwarze Löcher ineinander gestürzt sind!

Wie kann man sich so ein Signal vorstellen?

Alessandra Buonanno: Das Signal rauschte eine halbe Sekunde lang durch die LIGO-Detektoren. Es sah bemerkenswert einfach aus. Eine Sinuswelle mit zehn bis 15 Zyklen, deren Amplitude zunächst zunahm, dann ihr Maximum erreichte und schließlich abflaute. Unterdessen stieg ihre Frequenz stetig an, bis sie schließlich einen konstanten Wert erreichte. Dieses charakteristische Signal lässt sich folgendermaßen erklären: Wenn sich die beiden schwarzen Löcher umrunden, strahlen sie Gravitationswellen ab und verlieren dadurch Energie. Deshalb kommen sie einander immer näher, bis sie kollidieren und miteinander verschmelzen. Dabei entsteht ein massereicheres schwarzes Loch, das noch etwas nachschwingt wie eine Glocke, bevor es zur Ruhe kommt. – Vor der Verschmelzung ist die Signalfrequenz proportional zur Umlauffrequenz. Die Signalamplitude ist proportional zur charakteristischen Umlaufgeschwindigkeit der beiden Partner des Doppelsystems. Während der letzten Entwicklungsphase entspricht diese nahezu der Lichtgeschwindigkeit. Sobald sich das neue schwarze Loch gebildet hat, bebt es noch ein wenig nach. Dabei sendet es Gravitationswellen bei konstanter Frequenz aus.

Bruce Allen: Dass man gerade bei der ersten Detektion aus der Wellenform so direkt auf das Ereignis schließen kann, habe ich nicht erwartet. Ich war davon ausgegangen, dass die ersten Detektionen sehr viel schwächer sein und sich nur mit unseren Analyseprogrammen aus den Daten herausfischen lassen würden. Und auch, dass es schwierig sein würde zu verstehen, was da wirklich passiert. Die Tatsache, dass es sich so deutlich und selbst für das menschliche Auge sichtbar in den Rohdaten abhebt, ist bemerkenswert.

Auch wenn sich das Gravitationswellensignal in diesem Fall offensichtlich leicht mit dem Auge erkennen ließ: Eine fundierte Datenanalyse ist unabdinglich. Wie läuft diese ab und welche Rolle spielt dabei das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik?

Karsten Danzmann: Während die Detektoren laufen, werden die Messdaten kontinuierlich automatisch auf Signale hin durchsucht. Wird etwas gefunden, werden die Wissenschaftler darüber per E-Mail informiert.

Bruce Allen: Die Grundlagen für den Algorithmus, der das aktuelle Signal aufgespürt hat, haben Kollegen von der University of Florida geschaffen. Er sucht in den LIGO-Detektoren nach einem Ausschlag bei denselben Frequenzen, sodass die Ereignisse in beiden Detektoren zusammenpassen. In unserer Arbeitsgruppe haben wir diesen Code über viele Jahre ausgebaut und verbessert, um speziell Signale von Doppelsystemen mit schwarzen Löchern mittlerer Masse aus den Daten herauszufiltern. Diese Verbesserungen waren mit ein Grund dafür, dass das aktuelle Ereignis entdeckt wurde. Und auch was den Algorithmus zur Feinanalyse betrifft, die im Anschluss an die Detektion stattfindet, gehören die Kollegen an unserem Institut zu einer der beiden Expertengruppen weltweit.

Wo werden die Berechnungen durchgeführt?

Bruce Allen: Ein Großteil wird am ATLAS-Computercluster hier in Hannover gemacht. Er besitzt in etwa dieselbe Kapazität, die innerhalb der übrigen Kollaboration noch einmal zur Verfügung steht.

Karsten Danzmann: Nachdem sämtliche äußere Störeinflüsse wie etwa auch Erdbeben ausgeschlossen sind, vergleicht man das Signal mit synthetisch generierten Wellenformen. So ermitteln wir die Eigenschaften der astrophysikalischen Quelle, die Gravitationswellen aussendet.

Wie lassen sich diese Wellensignale modellieren und in Ihre Suche integrieren?

Alessandra Buonanno: Zunächst haben wir ausgefeilte, analytische Näherungen entwickelt, um die Zweikörperdynamik und die Emission von Gravitationswellen während jener Phase zu beschreiben, in der sich zwei schwarze Löcher immer näher kommen. Dann haben wir numerische Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie von binären schwarzen Löchern verwendet, um die Verschmelzung und die Abklingphase zu simulieren. Es ist unmöglich, bei der Suche und den Folgeanalysen nur auf Wellenformen, die allein mit numerischen Methoden der Relativitätstheorie berechnet wurden, zurückzugreifen. Denn es dauert mindestens einen Monat, um die letzten 15 Umläufe vor der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern auf diese Weise zu modellieren. Bei der weiteren Suche nach solchen Ereignissen in den LIGO-Daten werden auch die von uns entwickelten Wellenformmodelle verwendet. Die als GW150914 bezeichnete Quelle konnten wir so mit zuverlässiger Signifikanz in den Daten identifizieren.

Und hinterher können Sie  genau sagen, wie das gefundene System in Wirklichkeit aussieht?

Alessandra Buonanno: Nachdem wir das Signal gesehen hatten, haben wir mithilfe unserer Wellenformmodelle Folgeanalysen durchgeführt und die astrophysikalischen Eigenschaften der Quelle daraus abgeleitet. So fanden wir heraus, dass sich das binäre System aus zwei schwarzen Löchern mit 36 und 29 Sonnenmassen zusammensetzte. Die beiden schwarzen Löcher sind zu einem einzigen rotierenden schwarzen Loch verschmolzen, dessen Masse der 62-fachen Sonnenmasse entspricht. Das Doppelsystem befindet sich in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren. Zudem war das Signal ziemlich intensiv, sodass wir mithilfe unserer Modelle auch nach Verletzungen der Allgemeinen Relativitätstheorie suchen konnten. Wir haben jedoch keine Abweichungen festgestellt!

Abgesehen von der Signalstärke: War dieses System noch in anderer Hinsicht eine Überraschung?

Alessandra Buonanno: Wir wussten nicht, ob schwarze Löcher mit mehr als 20 Sonnenmassen überhaupt existieren. Uns war allerdings klar: Sollte das der Fall sein, wären sie die stärksten Quellen von Gravitationswellen für den LIGO-Detektor. Sie erwiesen sich als die goldenen Quellen, von denen wir immer geträumt haben! Denn das Signal von solch massereichen, verschmelzenden Doppelsystemen schwingt genau in jenem Frequenzbereich, in dem die Detektoren am empfindlichsten sind. Und während sich die schwarzen Löcher vereinigen, ist das Signal am stärksten.

Bei welchen Frequenzen ist das?

Karsten Danzmann: Zwischen 60 und 250 Hertz. In diesem Bereich sind die LIGO-Detektoren mittlerweile fast zehnmal so empfindlich wie vor dem Umbau. Darüber freuen wir uns übrigens ganz besonders: Fast alle Entwicklungen, die Advanced LIGO so viel empfindlicher gemacht haben, wurden bei GEO600 entwickelt oder erprobt. Bei höheren Frequenzen, bei denen wir etwa die Signale von zwei verschmelzenden Neutronensternen erwarten, sind die Instrumente derzeit um einen Faktor drei besser als zuvor. In den nächsten Monaten soll das aber auch noch auf das Zehnfache gesteigert werden. Bei sehr niedrigen Frequenzen dominieren zu sehr die seismischen Einflüsse. Aber diese Lücke wird künftig der VIRGO-Detektor in Italien schließen, der auch unserem Netzwerk angehört. Er wird derzeit ebenfalls technologisch modernisiert und soll im kommenden Jahr den Betrieb wieder aufnehmen.

Und wie sieht es mit GEO600 in Ruthe bei Hannover aus?

Karsten Danzmann: Dieser ist bei niedrigen Frequenzen nicht empfindlich genug für solche Signale, da er kleiner ist. Seine Stärke liegt bei höheren Frequenzen. Vor allem gibt es hier aber eine jahrzehntelange Tradition der Technologieentwicklung. Alle Innovationen, die hieraus hervorgegangen sind, finden sich mittlerweile in den anderen Detektoren des Netzwerks wieder, neben speziellen Spiegelaufhängungen etwa auch die Lasertechnologie und überhaupt das optische Layout der Interferometer. Die vorstabilisierten Lasersysteme von Advanced LIGO haben wir als Hardware bereitgestellt. Advanced LIGO ist auch unser Detektor!

Die Entdeckung hat gezeigt, dass das Kalkül, mit der neuen Messempfindlichkeit der Detektoren endlich Gravitationswellen direkt zu messen, aufgegangen ist. Und das sogar früher als erhofft. Welche weiteren Entwicklungen und Beobachtungen erwarten sie in näherer Zukunft?

Bruce Allen: Gerade kurzfristig könnte es besonders spannend werden. Wir haben nun ein System sehr gut beobachtet. Ich schätze mal, dass wir während des nächsten sechsmonatigen Wissenschaftsbetriebs nach einer weiteren, kürzeren Umbauphase im Laufe des Jahres ein System wie dieses alle drei oder vier Tage sehen. Gegen Ende der nächsten Messperiode werden wir rund 20 solcher Detektionen haben. Wir werden sehen können, was das Massenspektrum solcher Systeme ist. Und wir werden etwas über die Entwicklung solcher Systeme lernen, denn einige von ihnen werden näher sein, andere weiter entfernt, das heißt, sie sind zu einem früheren Zeitpunkt entstanden. So werden wir zum Beispiel etwas über den Anteil schwerer Elemente im Universum zu den verschiedenen Epochen erfahren. Denn das beeinflusst stark die Entstehungsrate besonders massereicher Sterne und schwarzen Löcher. Und dann hoffen wir natürlich, all die anderen Arten von Quellen, die zu erwarten sind, auch noch zu finden – die Verschmelzung zweier Neutronensterne oder Kombinationen aus einem Neutronenstern und einem schwarzen Loch.

Welche Bedeutung hat die Entdeckung für die Physik im weiteren Sinne?

Karsten Danzmann: Ich denke, die Bedeutung für Physik und Astronomie ist enorm. Nicht so sehr, weil endlich Gravitationswellen nachgewiesen wurden. Daran hat keiner gezweifelt! Aber weil die Gravitationswellenastronomie in den Mainstream der Astronomie gerückt ist. Wir haben auf einmal ein neues Werkzeug zur Hand, um die dunkle Seite des Universums zu studieren. Man muss sich einmal klar machen, dass mehr als 99 Prozent des Weltalls kein Licht und keine elektromagnetische Strahlung aussenden. Über diesen Teil wissen wir bisher nur, dass er der Schwerkraft unterworfen ist. Das nun untersuchen zu können, darin liegt die größte Hoffnung.

Bruce Allen: Nun, zuallererst haben wir gezeigt, dass wir Gravitationswellen direkt messen können. Wir können damit jetzt Wissenschaft betreiben. Und wir sind nun in der Lage, die Allgemeine Relativitätstheorie bei starken Gravitationsfeldern zu testen. Bis jetzt beweist das vor allem, dass Einsteins Theorie völlig richtig ist. Daher denke ich nicht, dass wir daraus etwas fundamental Neues über die Physik lernen werden, was wir nicht schon kennen. Aber wir haben eine wunderbare Methode, um diese Gesetze nachzuprüfen.

Alessandra Buonanno: Diese Entdeckung hat eine solche Tragweite, dass es zum jetzigen Zeitpunkt noch schwierig ist, alle Folgen auf unser Verständnis von Gravitation, Grundlagenphysik und Astrophysik wirklich abschätzen zu können. Diese Beobachtung wird wohl noch für viele Jahre Nachwirkungen auf diese Forschungsfelder haben. Und es ist phantastisch, dass die Bekanntgabe der Entdeckung kurz nach dem hundertjährigen Jubiläum von Einsteins Veröffentlichung über die Existenz von Gravitationswellen erfolgt! Jetzt steht uns ein neues Instrument zur Erforschung des Universums und zur Enthüllung seiner dunklen, extremsten Seite zur Verfügung. Wir haben entdeckt, dass stellare schwarze Löcher existieren, dass sie paarweise, also in Doppelsystemen, vorkommen und dass es sich um ziemlich massereiche Gebilde handeln kann. Und ja, die Beobachtung von zwei miteinander verschmelzenden schwarzen Löchern erlaubt es uns zu untersuchen, wie sich die Gesetze der Gravitation unter solch extremen Bedingungen verhalten. So können wir überprüfen, ob die Allgemeine Relativitätstheorie auch dann noch gilt.

Bruce Allen: Ich denke da auch an das hundertjährige Jubiläum der Allgemeinen Relativitätstheorie, das wir im Herbst 2015 in Berlin gefeiert haben: Denn Einstein selbst glaubte nicht daran, dass sich Gravitationswellen jemals würden messen lassen, weil sie so schwach sind. Und er glaubte außerdem nicht an schwarze Löcher. Wir haben gezeigt, dass er in beiden Punkten falsch lag. Aber ich denke nicht, dass ihn das gestört hätte. Ich glaube, er hätte sich gefreut!

Interview: Felicitas Mokler