Echo kosmischer Kollisionen

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat dem Sonderforschungsbereich/Transregio 7 (SFB/TR7) „Gravitationswellenastronomie“ rund sieben Millionen Euro bewilligt. „Damit können wir die 2003 begonnene erfolgreiche Arbeit bis 2010 fortsetzen und unter anderem 25 Wissenschaftlerstellen finanzieren“, freut sich Prof. Dr. Bernd Brügmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Sprecher des Forschungsverbundes ist. Im SFB/TR7 haben sich Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Eberhard Karls Universität Tübingen, der Leibniz Universität Hannover und der Max-Planck-Institute für Gravitationsphysik in Hannover und Potsdam sowie für Astrophysik in Garching zusammengeschlossen. Etwa die Hälfte der bewilligten Mittel fließt an die Jenaer Universität. An den 15 Einzelprojekten des SFB/TR7 werden sich in den kommenden vier Jahren deutschlandweit insgesamt etwa 75 Physiker, Astronomen und Mathematiker beteiligen, um Gravitationswellen theoretisch und experimentell zu erforschen.

Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Bernd Brügmann ist es, Gravitationswellen einer direkten astronomischen Beobachtung zugänglich zu machen. Insbesondere geht es ihnen um ein besseres Verständnis derjenigen kosmischen Ereignisse, bei denen Gravitationswellen entstehen. Dazu gehören Supernova-Explosionen, verschmelzende Neutronensternsysteme oder umeinander kreisende Schwarze Löcher, die für Wirbel im All sorgen. „Diese Ereignisse gleichen Tornados, die unglaubliche Gezeitenkräfte ausüben und alles mit sich reißen“, macht Prof. Brügmann die Dynamik dieser Phänomene deutlich.

„Dank der engen und erfolgreichen Zusammenarbeit aller beteiligten Institute spielt der SFB/TR7 bereits heute international eine führende Rolle“, schätzt Sprecher Brügmann ein. „Das hat einen positiven Effekt für den wissenschaftlichen Nachwuchs in Deutschland.“ Außerdem ermöglicht es die Clusterbildung, international renommierte Spitzenforscher an die beteiligten Universitäten und Institute zu holen und den Physikernachwuchs speziell in Gravitationsphysik und Relativistischer Astrophysik auszubilden.

Gravitationswellen

„Gravitationswellen sind Schwingungen von Raum und Zeit, die schon Albert Einstein 1916 im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat“, erklärt Prof. Brügmann. Die beispielsweise bei der Kollision von Schwarzen Löchern entstehenden Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen des Universums aus und müssen sich auf ihrer Reise durch das All auch auf der Erde messen lassen. Dass das bisher noch nicht gelungen ist, liegt vor allem an der sehr geringen Intensität dieser Signale. Doch das wollen die im SFB/TR 7 zusammenarbeitenden Wissenschaftler in naher Zukunft ändern. „Innerhalb der nächsten vier bis sechs Jahre werden wir die ersten kosmischen Gravitationswellensignale registrieren“, ist Brügmann, der Inhaber des einzigen Lehrstuhls für Gravitationstheorie in Deutschland ist, überzeugt.

Messung von Gravitationswellen

Um Gravitationswellen messen zu können, braucht es zweierlei: Einen sehr empfindlichen Detektor und eine sehr exakte Vorhersage über die Form der zu empfangenden Signale. An diesen beiden entscheidenden Voraussetzungen haben die im SFB/TR7 zusammengeschlossenen Forscher in den vergangenen Jahren erfolgreich gearbeitet. Sie sind unter anderem am Betrieb des deutsch-britischen Gravitationswellendetektors GEO600 in Ruthe bei Hannover beteiligt. Dieser hochempfindliche Detektor misst die Verschiebung zwischen zwei Lichtwellen, die im rechten Winkel durch ein Messgerät laufen. Verändert eine Gravitationswelle die Länge der beiden Arme dieses so genannten Laserinterferometers, so geraten die Lichtwellen „aus dem Takt“, was der Detektor als positives Signal registriert.

Messung und Vorhersage

Bereits heute ist die Messgenauigkeit von GEO600 so hoch, dass man etwa 40 Millionen Lichtjahre weit ins All „lauschen“ kann. „Die derzeit in der Entwicklung befindliche nächste Generation dieser Geräte wird noch um ein Vielfaches empfindlicher sein“, kündigt Prof. Brügmann an. Dafür haben Wissenschaftler des SFB/TR7 inzwischen neuartige optische Komponenten in bisher unerreichter Qualität entwickelt. Brügmann und seinen Kollegen ist es in der zurückliegenden ersten Förderperiode des SFB/TR7 außerdem gelungen, die Bewegung zweier Schwarzer Löcher umeinander in ihrer dynamischsten Phase mit hoher Genauigkeit zu berechnen. Damit haben sie eine entscheidende Grundlage gelegt, die davon ausgehenden Gravitationswellen vorherzusagen. Modellrechnungen sind sowohl für den Nachweis als auch für die Analyse von Gravitationswellen wichtig. Sie erlauben beispielsweise auch Rückschlüsse auf die Quelle der Gravitationswellen, ob es sich etwa um zwei Schwarze Löcher oder um Neutronensterne handelte.

Kontakt:
Prof. Dr. Bernd Brügmann
Theoretisch-Physikalisches Institut der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Fröbelstieg 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947111 oder 947100
E-Mail: Bernd.Bruegmann[at]uni-jena.de