Es war ein Meilenstein in der Physikgeschichte, den Forscher 2016 der Weltöffentlichkeit präsentierten: Zum ersten Mal war es gelungen, Gravitationswellen zu messen. Seither registrierten Physiker immer wieder solche sich mit Lichtgeschwindigkeit wellenförmig ausbreitenden Stauchungen und Dehnungen in der Struktur von Raum und Zeit, die Albert Einstein vor mehr als 100 Jahren vorhergesagt hatte. Jetzt könnte ein weiterer Durchbruch gelungen sein: Daten der Gravitationswellen-Observatorien Ligo und Virgo deuten auf Signale hin, die bei der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern entstanden sein könnten.

Darstellung des gewaltigen Paarungstanzes.
Illustration: Carl Knox / OzGrav ARC

Geschluckt wie von Pac-Man

Die potenziell ungleiche Kollision wurde am 14. August beobachtet. Eine endgültige Bestätigung steht noch aus, einige Astronomen äußerten sich angesichts der Daten aber schon sehr zuversichtlich. Alles deute darauf hin, dass es sich um ein solches Ereignis gehandelt habe, sagte Gravitationswellen-Forscherin Susan Scott von der Australian National University. "Vor etwa 900 Millionen Jahren hat dieses Schwarze Loch einen sehr dichten Stern geschluckt – wie Pac-Man, womöglich auf einen Sitz", sagte Scott.

Seit der ersten Messung von Gravitationswellen, die von der Kollision zweier Schwarzer Löcher stammten, gab es laufend neue Entdeckungen. Bis Ende Juli wurden insgesamt 18 Verschmelzungen Schwarzer Löcher und vier Kollisionen von Neutronensternen bekanntgegeben. Hinweise auf die Variante "Schwarzes Loch schluckt Neutronenstern" gab es zwar auch schon einmal, im April 2019. Das Signal war damals allerdings so schwach, dass sich die Messung nicht eindeutig bestätigen ließ – es könnte sich um einen Fehlalarm gehandelt haben.

Zwei Schwarze Löcher kommen einander näher.
Illustration: Reuters / SXS

Ungleiche Partner

Jetzt ist die Datenlage offenbar deutlich besser, ein Fehler sei unwahrscheinlich, sagte Ligo-Forscher Daniel Holz von der University of Chicago. "Etwas ist da draußen passiert, und es sieht nicht so aus, als ob wir das schon zuvor gesehen hätten." Genauere Analysen sollen demnächst in einer Fachzeitschrift veröffentlicht werden.

Kommen Neutronensterne oder Schwarze Löcher einander nahe, ziehen sie einander immer weiter an und kollidieren schließlich. Dabei werden Gravitationswellen abgestrahlt, aus denen Forscher Informationen über das Ereignis ablesen können. Neutronensterne und stellare Schwarze Löcher entstehen am Lebensende von massereichen Sternen. Wenn nun in einem Doppelsternsystem aus einem schwereren Stern ein Schwarzes Loch wird, aber aus dem leichteren "nur" ein Neutronenstern, und die beiden einander eng genug umkreisen, kann es schließlich zur Verschmelzung der ungleichen Partner kommen.

Künstlerische Darstellung der Verschmelzung von zwei Neutronensternen.
Illustration: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

Verbesserte Messgenauigkeit

Gemessen wurden die Gravitationswellen an den Observatorien Ligo (in Livingston, Louisiana, und Hanford, Washington) und Virgo (bei Pisa) mithilfe sogenannter Interferenzexperimente. Vereinfacht gesagt wird dabei ein Laserstrahl in Teilstrahlen aufgespaltet und in zwei exakt gleich lange Röhren geleitet, die senkrecht aufeinander stehen. Am Ende dieser Röhren werden die Lichtwellen von einem Spiegel reflektiert und zum Ausgangspunkt zurückgeworfen. Im Normalfall sollten sich die Strahlen aufheben – und es gibt kein Signal.

Verzerrt jedoch eine Gravitationswelle die Raumzeit, variiert dadurch die Länge der beiden Röhren minimal – und die Physiker messen ein Signal. Was die Detektion allerdings so schwierig macht, ist ihr vergleichsweise geringer Effekt und die dadurch erforderliche extreme Genauigkeit der Messungen.

Die Forscher arbeiten laufend daran, die Leistung der Detektoren zu verbessern, wie Physik-Nobelpreisträger Rainer Weiss kürzlich zum STANDARD sagte: "Wenn wir die Sensitivität um den Faktor zwei verbessern, können wir doppelt so weit ins Universum blicken. Wir haben berechnet, wenn wir den Detektor um einen Faktor zehn verbessern, genügt das, um das gesamte Universum abzudecken." Bis dahin gibt es aber noch viele Hindernisse zu überwinden – nicht zuletzt finanzielle. (David Rennert, 20.8.2019)