Wo sie schwarze Löcher belauschen

Im tiefen Süden der USA steht eines von fünf Observatorien weltweit, die Gravitationswellen messen. Forscher horchen dort ins Universum und empfangen Signale des Urknalls.

Umgeben von Wäldern und Hirschen: Das Observatorium in Livingston hat die Form eines rechten Winkels. Foto: Sipa / DDP Images

Umgeben von Wäldern und Hirschen: Das Observatorium in Livingston hat die Form eines rechten Winkels. Foto: Sipa / DDP Images

Alexandra Bröhm@sonntagszeitung

Viel mehr als Wald ist da nicht mehr, und auch die Strasse wird immer schmäler. Holzfäller, Farmer und Jäger sind hier im ländlichen Louisiana heimisch, nach Spitzenforschung sieht es, eine knappe Autostunde von der Hauptstadt Baton Rouge entfernt, kaum aus. Die Strasse im Städtchen Livingston kurz zuvor hiess zwar Florida Boulevard, doch an eine Prachtstrasse erinnert hier nichts: eine Tankstelle, ein Schnellimbiss, ein Pfandleihhaus, der Billigladen Dollar General und rechts noch ein windschiefer Strommast.

Louisiana ist fast dreieinhalbmal so gross wie die Schweiz, doch nur vier Millionen Menschen leben in dem Staat, der an den Golf von Mexiko grenzt, ein Fünftel von ihnen unter der Armutsgrenze. Trotzdem steht hier mitten im tiefen Wald nahe dem Städtchen Livingston das Ligo-Observatorium. In ihm befindet sich die präziseste Messapparatur, die Menschen je geschaffen haben.

Dass hier nicht nur Holz geschlagen wird, signalisieren jetzt orange Kegel auf beiden Seiten der Strasse und entlang der Mittellinie. Ein Schild weist darauf hin, die Geschwindigkeit auf 15 Stundenkilometer zu drosseln, wissenschaftliche Messungen seien gerade im Gange, Erschütterungen nicht erwünscht. Forscher des Massachusetts Institute for Technology (MIT) und der Universität Caltech lauschen hier ins Universum hinaus. Vor drei Jahren machte das Team, das weltweit aus 1000 Mitgliedern besteht, Schlagzeilen, weil es ihm erstmals gelungen war, Gravitationswellen nachzuweisen.

Für die Entdeckung erhielten die Forscher 2017 den Nobelpreis für Physik. Das Ligo Livingston ist eines von fünf Observatorien weltweit, die Gravitationswellen zu messen versuchen. Ligo steht für Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory.

Seit Anfang April läuft die dritte Messreihe, die schon spektakuläre Resultate vorzuweisen hat. Am 26. April beobachteten die Forscher vermutlich erstmals, wie ein schwarzes Loch einen Neutronenstern verschlang. Ein Neutronenstern ist das Überbleibsel eines in sich zusammengefallenen, massereichen Sterns. Auch mehrere Verschmelzungen von schwarzen Löchern und eine Fusion von zwei Neutronensternen hat der dritte Forschungsdurchlauf nachgewiesen.

Geringste Erschütterungen

Gravitationswellen sind Erschütterungen von Zeit und Raum. Sie entstehen unter anderem, wenn schwarze Löcher oder Neutronensterne weit draussen im All miteinander verschmelzen. Albert Einstein prophezeite ihre Existenz in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vor mehr als 100 Jahren. Weil es mithilfe des Ligo-Netzwerkes nun möglich ist, diese Wellen zu messen, können die Forscher bisher unsichtbare Phänomene belauschen.

In einem winzigen Büro ­überwacht der Physiker Brian O’Reilly die Messungen. Für das Irdische, zumindest für seine Arbeitsumgebung im kaum eingerichteten Büro, scheint sich O'Reilly nicht wirklich zu interessieren, der Ire leitet den operationellen Betrieb im Ligo Livingston. Das Observatorium hat die Form eines rechten Winkels, zwei vier Kilometer lange Arme strecken sich vom Hauptgebäude aus südlich und westlich in den Wald.

«Seit dem letzten Durchgang haben wir unsere Messgenauigkeit nochmals um 40 Prozent steigern können», sagt O’Reilly. Deshalb kommen nun beinahe im Wochenrhythmus Meldungen von Entdeckungen. Die erste im September 2015 galt noch als absolute Sensation. «Aber so ist der Mensch», sagt O’Reilly, «was an einem Tag völlig aussergewöhnlich ist, wird schon bald zur Randnotiz.» Den Tanz der schwarzen Löcher kann das Ligo Livingston nun in bis zu einer Distanz von 2 Milliarden Parsecs belauschen. Das ist ziemlich weit draussen im Universum. Ein ­Parsec entspricht 3,2 Lichtjahren (ein Lichtjahr = 9,46 Billionen Kilometer). Die Signale der Gravitationswellen sind so schwach, dass es erst in den letzten Jahren technisch überhaupt möglich wurde, sie nachzuweisen.

Wenn eine Gravitationswelle durch das Ligo huscht, verändert sie kurzzeitig die Länge der beiden rechtwinkligen Arme. Ein Arm verkürzt sich leicht, der andere wird etwas länger. Weil diese Veränderungen aber so mikroskopisch klein sind, brauchen die Forscher hochsensible Messvorrichtungen. Vom Zentrum des rechten Winkels schiessen sie Laserstrahlen in beide Arme, ein Spiegel reflektiert das Licht am Ende der Tunnel. Beide Strahlen treffen, ohne Gravitationswellen, im exakt gleichen Moment wieder am Ausgangspunkt ein.

Ist dies nicht der Fall, könnte die Abweichung von einem grossen Ereignis weit draussen im All erzählen. Die Betonung liegt allerdings auf «könnte», denn die Störquellen sind zahlreich. Viele sind menschengemacht. «Der Holzschlag in den Wäldern macht uns zu schaffen», sagt O’Reilly. Er arbeitet schon seit 2002 hier, damals nahm das ­Ligo-Observatorium mit noch viel einfacherer Ausstattung seinen Betrieb auf.

Um sie vor Erschütterungen zu schützen, sind die Messvorrichtungen in den Tunneln an Pendeln aufgehängt. «Viele menschengemachte Erschütterungen schwingen zwischen 1 und 10Hertz, die Pendel bieten in diesem Bereich einen recht guten Schutz.» Doch die Naturkräfte halten sich nicht an diese Regel. Erdstösse sind in dieser Region zwar selten. Trotzdem gibt es für uns nicht wahrnehmbare mikroseismische Schwingungen von den heranbrandenden Wellen des Golfes von Mexiko, auch wenn dieKüste mehr als 100Kilometer entfernt liegt. «Sie lösen Schwingungen mit einer Frequenz von sechs Hertz aus, da können wir nur bedingt dagegenhalten», sagt O’Reilly.

«Ein kurzes Wuoop»

Doch wie wissen die Forscher überhaupt, wonach sie suchen? Ein wichtiges Hilfsinstrument ist dabei Einsteins Theorie. «Die Berechnungen sind zwar sehr komplex, aber sie geben uns trotzdem einen Anhaltspunkt.» So habe das Team eine Datenbank mit Vorlagen von Wellenformen erstellt. Mit diesen Schablonen versuchen sie die eigentlichen Schätze aus der Masse des Rauschens herauszufiltern. Sie werden dann einer eingehenden Prüfung unterzogen. Je schwerer die Massen sind, die miteinander kollidieren und verschmelzen, umso kürzer ist das Signal, das man messen kann. Bei zwei schwarzen Löchern kann es beispielsweise nur 0,1 Sekunden dauern. «Das ist dann ein kurzes Wuoop», sagt O’Reilly und zieht den Ton gegen Ende in die Länge und nach oben.

Nach einem Rundgang durch den Kontrollraum, wo gerade Forscher aus Frankreich, Grossbritannien und Kasachstan den Betrieb überwachen, gehen wir nach draussen und auf eine kleine Anhöhe, die einen Blick über einen der beiden Tunnel bietet. Er scheint an diesem nicht ganz wolkenlosen Tag beinahe bis zum Horizont zu reichen. Die Tunnel sind mit Beton umhüllt.

«Die Jagd auf Hirsche ist eine beliebte Beschäftigung hier in den Wäldern», sagt O’Reilly. «So wollen wir verhindern, dass unsere teuren Messgeräte einen Querschläger abbekommen.» Und weil auch die Gewitter hier in den Subtropen recht heftig ausfallen und sich ab und zu ein Hurrikan in die Gegend verirrt, schützt der Beton gleich auch vor den Elementen.

«Es sind noch viele Fragen offen», sagt O’Reilly mit Blick auf den Tunnel und in die Ferne. Weil das empfindlichere Messsystem nun viel mehr Ereignisse registrieren kann, erhoffen sich die Forscher Antworten auf grundlegende Rätsel. «Wir wissen noch nicht, wie sich die schwarzen Löcher bilden, denen wir beim Verschmelzen zuschauen. Woher kommen sie?» Weitere Tests stünden auch zur Relativitätstheorie noch an, da die Schwerkraft der schwarzen Löcher alles, was man im Sonnensystem messen könne, um ein Vielfaches übersteige.

Wichtig ist es den Forschern auch, ihr Wissen weiterzugeben. Neben dem Observatorium befindet sich ein Ausstellungsraum im Stil eines Mini-Technoramas. «Wir haben häufig Schülergruppen hier.» Auch heute ist eine sechste Klasse zu Besuch. Die lokale Bevölkerung begegne ihnen mit einer Mischung aus Skepsis und Neugierde. «Ich glaube, sie halten uns alle für ein bisschen komisch», sagt O’Reilly und lacht. Jeden dritten Samstag im Monat gibt es öffentliche Führungen.

«Am aufregendsten sind all die Dinge, von denen wir noch nicht einmal wissen, wie wir sie suchen sollen.» Die in den Daten aber vielleicht schon heute vorhanden seien. Auch die Reise weit zurück in die Frühgeschichte des Universums soll weiter­gehen. Die erste Information, die man bisher nach dem Big Bang hat, ist die Hintergrundstrahlung einige Hunderttausend Jahre nach dem Urknall. «Könnten wir Gravitationswellen aus der Ausdehnungsphase messen, so kämen wir dem Urknall auf Sekundenbruchteile nahe.» Die bisherigen Informationen seien so was wie die Babybilder des Universums. «Wir wollen jetzt Ultraschallbilder aus der Schwangerschaft», sagt O’Reilly.

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