Lernen Sie das Team von Wissenschaftlern kennen, die Gravitationswellen entdeckt haben

Es war ein Moment, nur ein Moment, in dem alle eine Pause von der Diskussion über Kriege und Politik zu machen schienen und in den Himmel blickten. Am 11. Februar 2016 berichteten große Nachrichtensender, dass die Menschheit zum ersten Mal Gravitationswellen aus dem tiefsten Weltraum auf der Erde entdeckt hatte, ein äußerst subtiles und dennoch tiefgreifendes Phänomen, das Albert Einstein 1916 erstmals vorhergesagt hatte. Die Wellen stammten von zwei Schwarzen Löchern das kollidierte vor 1, 3 Milliarden Jahren, ein kosmischer Aufprall, der zehnmal mehr Kraft erzeugte als die Lichtkraft aller Sterne im beobachtbaren Universum zusammen. Aber die Gravitationswellen, die es erzeugte, verblassten zu einem Hauch, als sie sich durch Raum und Zeit bewegten. Kein Instrument war jemals in der Lage gewesen, sie zu erkennen - bis jetzt.

Aus dieser Geschichte

Black Hole Blues und andere Songs aus dem Weltraum

Kaufen

Verwandte Inhalte

• Wissenschaftler hören zwei noch uralte schwarze Löcher kollidieren

Obwohl die Leistung von mehr als 1.000 Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglicht wurde, die seit Jahrzehnten arbeiten, waren die Hauptakteure Kip Thorne, Ronald Drever und Barry Barish, alle von Caltech; und Rainer Weiss vom MIT. Um ihren unglaublich kleinen Steinbruch einzufangen, setzten sie einen einzigartig großen Detektor ein, das 620 Millionen US-Dollar teure Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO), das sich zum einen in Louisiana und zum anderen im US-Bundesstaat Washington befindet.

Thorne hat sich in den achtziger und neunziger Jahren in einer Reihe hochkarätiger Vorträge auf der ganzen Welt für das Projekt eingesetzt. Schlaksig und bärtig war er bereits eine Legende in der Astrophysik - ein Theoretiker mit einer Vision, die so weitreichend war, dass er später Hollywood-Filme wie Interstellar mitgestalten würde . Zu Beginn seiner Karriere hielten viele Physiker Gravitationswellen trotz Einsteins Vorhersage für Science-Fiction. In einem scharfen Bruch mit der Newtonschen Physik hatte Einsteins allgemeine Relativitätstheorie nahegelegt, dass die Schwerkraft zuvor unentdeckte Wellen erzeugt, die sich auf eine Art und Weise wie Schall durch die Raum-Zeit bewegen.

Das Messen dieser Wellen schien jedoch nahezu unmöglich. Im Vergleich zu anderen Kräften ist die Schwerkraft extrem schwach. Die elektromagnetische Kraft zwischen zwei Elektronen ist 10 ⁴⁰ (mehr als eine Billion mal eine Billion mal eine Billion) stärker als ihre Anziehungskraft. Das Aufzeichnen einer Gravitationswelle würde extrem massive Objekte und unvorstellbar empfindliche Instrumente erfordern.

Trotzdem glaubt Thorne, dass Gravitationswellen existieren, als er 1962 promovierte. In den 1970er Jahren stimmten ihm die meisten anderen Wissenschaftler zu, die von luftdichten mathematischen Modellen und Gedankenexperimenten überzeugt wurden. Die Musik war da draußen. Sie hatten es einfach noch nicht gehört.

LIGO wurde Mitte der 90er Jahre gebaut und 2002 zum ersten Mal aktiviert. Das Observatorium bestand aus zwei riesigen L-förmigen Detektoren, die 1.865 Meilen voneinander entfernt waren. Die Entfernung zwischen ihnen und der entfernten Position der beiden Standorte würde verhindern, dass die beiden Instrumente Störungen durch dasselbe Erdbeben oder einen vorbeifahrenden Lastwagen wahrnehmen. Jeder Detektor bestand aus zwei 2, 5-Meilen-Armen mit einem Laser an der Verbindungsstelle, die in zwei Strahlen und Spiegel an jedem Ende aufgeteilt waren. Als eine Gravitationswelle durch die Röhren lief, sagten die Wissenschaftler voraus, dass sie die Raumzeit nur geringfügig verziehen würde - etwa um ein Zehntausendstel des Durchmessers eines Protons. Diese winzige Verzerrung würde ausreichen, um die Länge der Röhren zu verändern und den Laser auf die Detektoren scheinen zu lassen.

Anmerkung der Redaktion, 28. Februar 2017: Dieser Artikel bezog sich ursprünglich auf das elektromagnetische "Ziehen" zwischen zwei Elektronen, aber "Kraft" ist ein besseres Wort, um es zu beschreiben.

Abonnieren Sie jetzt das Smithsonian-Magazin für nur 12 US-Dollar

Dieser Artikel ist eine Auswahl aus der Dezember-Ausgabe des Smithsonian-Magazins

Kaufen

Die erste Runde der LIGO-Experimente vor mehr als einem Jahrzehnt hat kein Signal empfangen. In einer großen Verdoppelung ihrer anfänglichen Wette überzeugten die Forscher die National Science Foundation, weitere 200 Millionen US-Dollar für die Aufrüstung von LIGO auszugeben, und bis 2015 war die Arbeit erledigt. Das Forschungsteam umfasste inzwischen mehr als 1.000 Wissenschaftler an 90 Institutionen auf der ganzen Welt. Die Erwartungen waren überwältigend. Im August letzten Jahres sagte Weiss zu Janna Levin - einer Astrophysikerin aus Kolumbien, die ein Buch über LIGO namens Black Hole Blues und andere Songs aus dem Weltraum schrieb -: „Wenn wir keine schwarzen Löcher entdecken, ist dieses Ding ein Misserfolg.“

Am Montag, den 14. September 2015, kam eine Gravitationswelle von irgendwo tief im südlichen Himmel. Es pingte das Instrument in Louisiana, bevor es durch die Vereinigten Staaten flog, um es sieben Millisekunden später in Washington State anzupingen. Um 5:51 Uhr zeichnete LIGOs Gerät endlich dieses winzige Zwitschern auf.

Wie Levin es ausdrückte, bestand die große Leistung von LIGO darin, dass es einen Soundtrack zu dem hinzufügte, was zuvor ein Stummfilm gewesen war. Fünfundneunzig Prozent des Universums sind dunkel, was bedeutet, dass es sich unserer fortschrittlichsten Teleskope und Radargeräte entzieht. Diese schwache Gravitationswelle ermöglichte es Wissenschaftlern zum ersten Mal, ein Paar schwarzer Löcher zu entdecken - und sie waren viel größer als erwartet. Einer war 29-mal so groß wie die Masse der Sonne und der andere 35-mal so groß wie die Masse der Sonne.

Als Thorne und Weiss die Protokolle zum ersten Mal sahen, befürchteten sie, dass Hacker beschädigte Daten in die Protokolle eingefügt hatten. (Drever war nicht in der Lage, seine Antwort zu teilen: Er war im Laufe der Jahre krank geworden und befand sich in einem Pflegeheim in seiner Heimat Schottland.) Es dauerte Wochen, bis die Wissenschaftler sich mit ihrer Leistung abgefunden hatten.

Am 26. Dezember 2015 zeichnete LIGO Gravitationswellen einer weiteren Fusion von Schwarzen Löchern auf. Die Forscher arbeiten noch an der Feinabstimmung der Instrumente, die sich ihrer Meinung nach nur verbessern lassen, wenn es darum geht, kosmische Entfernungen in weiter Ferne zu messen.

Das Erkennen von schwarzen Löchern ist zwar wirklich bedeutsam, aber erst der Anfang. Zunehmend werden wir herausfinden, wie viel wir nicht wissen. Das ist die wahre Aufregung für Thorne, Weiss und ihre Kollegen. Was ist, wenn dunkle Materie auf eine Weise in die Schwerkraft übergeht, an die noch niemand gedacht hat? Wenn wir kurz nach dem Urknall Gravitationswellen aufnehmen, was wird uns das über die Natur des Universums beibringen? Dank LIGO können wir jetzt die faszinierenden Kompositionen zwischen den Sternen hören, die immer noch unbekannte Musik dessen, was es sonst noch gibt

"Sie haben der Menschheit eine völlig neue Sichtweise auf das Universum gegeben." Stephen Hawking gratuliert Kip Thorne, Rainer Weiss, Barry Barish und Ronald Drever, den ersten Wissenschaftlern, die Gravitationswellen nachweisen, beim Smithsonian Magazine American Ingenuity Awards 2016. In diesem Jahr gaben die Genies hinter LIGO bekannt, dass sie endlich gefunden haben, was Albert Einstein vor einem Jahrhundert vorausgesagt hatte.