Dem Aug so fern, doch dem Ohr so nah – Gravitationswellen wackeln sich durchs Weltall

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Bass erstaunt verfolgten Oberstufenschülerinnen und -schüler in der Aula unserer Schule am vergangenen Donnerstag (10. Januar 2019) dem Vortrag von Dr. Benjamin Knispel vom Institut für Gravitationsphysik aus Hannover. Auf Initiative von Herrn Fink stellte der Physiker allen Zwölftklässlern vom Georgianum sowie interessierten Schülern der BBS Technik und des Franziskusgymnasiums nicht nur medial anschaulich die theoretischen Grundlagen vor, sondern zeigte auch den hohen technischen Aufwand für die Entdeckung der Gravitationswellen und deren Nutzen auf.

Die Schülerinnen und Schüler der Physik-Kurse begrüßten vor der Veranstaltung Herrn Dr. Knispel (vorne, 2. v. re.) zusammen mit ihren Lehrern sowie dem Initiator der Veranstaltung, Herrn Fink (vorne, 1. v. li.).

Ihm, Albert Einstein (li.), gelang die Beschreibung der theoretischen Grundlagen der Gravitationswellen, dem zweiten, Herrn Knispel, in Zusammenarbeit mit vielen anderen Wissenschaftlern der Beweis von Einsteins Annahmen. 

Knapp 100 Jahre nach der theoretischen Beschreibung durch die Einsteinische Relativitätstheorie gelang es im September 2015 einem internationalen Forscherteam von 1700 Wissenschaftlern aus 18 Ländern, Gravitationswellen, das Wackeln des extraterrestrischen Raumes, für den Menschen wahrnehmbar und so zuvor weit entfernte kosmische Ereignisse nachweisbar zu machen. Denn bis dato sei – so Knispel – durch solche Teleskope, die allein auf elektromagnetischer Technik (z.B. Licht) basieren, nur ein winziger Prozentsatz der kosmischen Materie für den Menschen erkennbar gewesen. Dieser erweiterte Zuwachs über den Kosmos basiere auf der Annahme, dass es eine enge Verknüpfung zwischen Raum und Zeit gebe, dass diese Dimensionen nicht getrennt voneinander betrachtet werden könnten, sondern als sog. Raumzeit existiere. Und eben diese Raumzeit, so die Idee von Einstein, werde nun durch große Massen als quasi weitere Dimension (z.B. in Form von Sternen, Planeten oder schwarzen Löchern) gekrümmt, so, als wenn man einen Apfel auf einen flachen Wackelpudding legen würde. Diese Krümmung der Raumzeit, die der Mensch als Schwerkraft wahrnehme, verändere sich nun, wenn zwei Massen im Weltall in Bewegung gerieten, wenn sie sich beispielsweise umrunden würden. Dann erzeugten zwei Sterne oder zwei schwarze Löcher nicht nur eine einfache Krümmung der Raumzeit, sondern gleichsam Wellen, die sich durch das All ausbreiteten, ähnlich einem leichten Kräuseln auf der Wasseroberfläche eines Teiches bei seichtem Windgang. Diese Wellen, eben die sog. Gravitationswellen, würden sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und so Rückschlüsse darauf ermöglichen, wie weit weg ein kosmisches Ereignis (wie z.B. die Entstehung eines schwarzen Loches) geschehen sei. Denn führe man sich nochmals das Wackelpudding-Modell vor Augen, so übertrage sich das Wackeln des astronomischen Ereignisses, eben die von ihm ausgesandten Gravitationswellen, durchs gesamte All. Für kurze Zeit werde nun beim Durchgang einer solchen Gravitationswelle – vereinfacht gesagt – der Raum gestaucht und gedehnt. Das sei aber ein solch winziger Effekt, dass, wenn man ihn auf die Entfernung zwischen Sonne und Erde (ca. 150 Mill. Kilometer) projiziere, sich die Strecke um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms länge.

Um diesen Ausschlag des kosmischen Wackelns überhaupt messen zu können, würden im Forschungsverbund sog. Interferometer eingesetzt, die eine so kleine Veränderung von Strecken mithilfe von Lasern ermitteln und in hörbare Audio-Frequenzen umsetzen könnten. Gleichsam wie Mikrophone für die Gravitationswellen würden die insgesamt vier Interferometer auf der Erde den Kosmos nach dem Wackeln des Alls detektieren. Die so gewonnenen Daten einer Welle werde dann im Folgenden durch Großrechner, die den Interferometern angeschlossen seien, aufgearbeitet, sodass, wenn das kosmische Hintergrundrauschen bearbeitet worden sei, ein hörbares „Wupp“, einem Herzschlag gleichend, das kosmische Ereignis kennzeichnet.

Bisher hätten diese großen und zum Teil unterirdischen Messinstrumente (s.o.), die – wie große Dreiecke aufgebaut – eine Schenkellänge von bis zu zwei Kilometern besäßen, insgesamt 30 Ereignisse wie die Verschmelzung von schwarzen Löchern ermittelt. Aufgabe der Wissenschaft werde es in Zukunft sein, eine Art „Volkszählung“ zu den schwarzen Löchern durchzuführen.

Auch wenn diese kosmische Grundlagenforschung vom Alltag erstmal einmal weit weg sei, habe dennoch gerade die neu- bzw. weiterentwickelte Lasertechnik zur Detektion der Gravitationswellen schon ihren praktischen Nutzen bewiesen. So gelinge es gerade wegen der hohen Empfindlichkeit dieser Laser den Satelliten der Weltraummission „Grace follow on“, versteckte Grundwasservorkommen zu ermitteln. Denn beim Überflug verändere das verborgene Grundwasser die Stärke der Gravitation messbar. So eingesetzt, unterstreiche das – wie Knispel zum Schluss hervorhob – die Wichtigkeit der Grundlangenforschung auch im Bereich der Astronomie.

Text und Fotos: Stefan Roters.