Wissenschaft

Gravitationswellen: Der Beginn einer neuen Ära in der Astronomie

Seit jeher faszinieren uns die Himmel. Der Anblick der Himmelskörper – Sonne, Mond und Sterne – hat die menschliche Vorstellungskraft angeregt. Zuerst haben wir versucht, den Himmel durch Mythen zu verstehen, die von Generation zu Generation überlegt und gefeilt wurden. In den Sternbildern sahen wir Streitwagen, Tiere, Töpferwaren, Götter und Helden. Doch neben unseren Fabeln und Erzählungen begannen die wissenschaftlich gesonnenen unter uns zu bemerken, wie sich die Himmelskörper bewegten und verwendeten ihre Positionen um Tage, Monate und die Jahreszeiten zu berechnen. Daraus entwickelten wir die grundlegendste aller Wissenschaften: Die Mathematik, wie der Heilige Qur’an bezeugt:

»Er ist es, Der die Sonne zur Leuchte und den Mond zu einem Schimmer machte und ihm Stationen bestimmte, auf dass ihr die Anzahl der Jahre und die Berechnung kennen möchtet. Allah hat dies nicht anders denn in Weisheit geschaffen. Er legt die Zeichen einem Volke dar, das Wissen besitzt.«1

Neben den Mythen versuchten Wissenschaftler und Philosophen, das Gewölbe des Himmels über uns rational zu verstehen. Auf die griechischen Philosophen wie Pythagoras und Ptolemäus folgten die Giganten der islamischen Wissenschaften, wie Ibn al-Haytham [latinisiert: Alhazen], Al-Battani [latinisiert: Albatanius] und Al-Khwarizmi [latinisiert: Algorismi], die diese Wissenschaftsdisziplin anhand von Beobachtung und sorgfältiger Vermessung kritisch weiterentwickelten. Das nächste Fenster zum Himmel hat sich erst kürzlich mit der Entwicklung der Radioastronomie geöffnet. Wir haben begannen den Himmel anhand von Radio- und Mikrowellen zu betrachten. Wir haben anhand unserer Kenntnisse über das elektromagnetische Spektrum herausgefunden, woraus Sterne bestehen, das vom sichtbaren Licht bis über das Infrarot- und Ultraviolettspektrum hinausreicht. Es ist in dieser Zeit, dass unser Verständnis über die Himmelskörper vorangekommen ist, genauso wie der Heilige Qur’an vorausgesagt hat, dass dies in der Zeit des Messias geschehen wird:

»und wenn der Himmel aufgedeckt wird,«2

Durch die neuerliche Entdeckung der Gravitationswellen haben wir das Glück, ein Beispiel davon in unserem Leben zu erleben.

Pythagoras, dargestellt auf einer Münze aus dem 3. Jahrhundert. Pythagoras war ein berühmter ionischer Philosoph und Mathematiker, am bekanntesten für die Formulierung des Satzes des Pythagoras, der eine grundlegende Beziehung in der euklidischen Geometrie zwischen den drei Seiten eines rechtwinkligen Dreiecks erklärt.

Was sind Gravitationswellen?

Gravitationswellen sind keine elektromagnetische Strahlung. Es war Einstein, der 1915 mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie erstmals Gravitationswellen voraussagte. Während Isaac Newton die Gravitation im 17. Jahrhundert als eine Kraft erklärte, die zwischen zwei Objekten wirkt, die Masse besitzen, glaubte Einstein, dass die Gravitation das Ergebnis der Verzerrung der Raum-Zeit Gebilde von solchen Objekten ist. Während die Newtonsche Gravitationstheorie für die meisten gängigen Beobachtungen mit bemerkenswerter Genauigkeit gilt, kann sie einige Phänomene, die mit sehr schweren Objekten wie Neutronensternen und Schwarzen Löchern verbunden sind, nicht erklären.

Die Verzerrungen in Raum-Zeit durch solche schweren Körper, wie sie Einstein beschreibt, sind ähnlich wie ein Trampolin oder eine gestreckte Stoffbahn sich verformt, wenn ein schweres Objekt darauf platziert wird. Es ist interessant zu wissen, dass im Heiligen Qur’an darauf Bezug genommen wird, obwohl Einstein der erste Wissenschaftler war, der theoretische Überlegungen über die Existenz der Raum-Zeit Gebilde anstellte:

»An dem Tage, da Wir die Himmel zusammenrollen werden, wie die Schriftrollen zusammengerollt werden. Wie Wir die erste Schöpfung begannen, (so) werden Wir sie erneuern – bindend für Uns ist die Verheißung; wahrlich, Wir werden (sie) erfüllen.«3

»Sie schätzen Allah nicht, wie es Ihm gebührt. Die ganze Erde gehört Ihm allein, und am Tage der Auferstehung werden die Himmel (und die Erde) zusammengerollt sein in Seiner Rechten. Preis Ihm! Hoch erhaben ist Er über das, was sie anbeten.«4

Die obigen Verse beziehen sich auf das Universum als ein verformbares Gewebe oder Pergament, das aufgerollt werden kann, ähnlich wie Einstein sich Raum-Zeit vorstellte.

Eine wichtige Vorhersage von Einsteins allgemeiner Theorie war die Existenz von Gravitationswellen. Während er die Gravitationskraft als Krümmung in Raumzeit beschrieb, wurden Gravitationswellen als »Wogen« im Gewebe der Raumzeit beschrieben, die durch massiv beschleunigte Objekte verursacht werden. Diese Wogen ähneln sehr dem, was wir sehen können, wenn wir einen Stein ins Wasser werfen oder wenn ein schwerer Ball auf ein Trampolin geworfen wird.

Ibn al-Haytham [latinisiert: Alhazen], der Vater der modernen Optik, leistete Pionierarbeit und erläuterte als erster die wissenschaftliche Methode. Sein Beitrag zur Astronomie bestand in seiner Kritik an der Arbeit von Ptolemäus und das Aufzeigen der anhaftenden Fehler.

Gravitationswellen haben eine ähnliche Wirkung wie elektromagnetische Wellen. Genauso wie elektromagnetische Wellen die elektromagnetische Kraft tragen, »tragen« Gravitationswellen Energie, die als »Gravitationsstrahlung« bekannt ist. Wenn elektromagnetische Strahlung auf ein Objekt trifft, induziert es Elektrizität oder Magnetismus, und in ähnlicher Weise, wenn Gravitationswellen auf ein Objekt auftreffen, verzerren sie den Raum um das Objekt und verändern so die tatsächliche Größe des Objekts. Während einige von uns vielleicht unser ständig zunehmendes Gewicht auf vorbeiziehende Gravitationswellen zurückzuführen wünschen, sind die Auswirkungen von Gravitationswellen unglücklicherweise (oder glücklicherweise) sehr gering.

Die Suche nach Gravitationswellen
Seit der Vorhersage der Gravitationswellen durch Einstein arbeitet die wissenschaftliche Gemeinschaft daran, sie zu entdecken. Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen können Gravitationswellen nicht mit bloßem Auge, Teleskopen oder Antennen »gesehen« werden. Wir können sie nur indirekt durch ihre Wirkungen »beobachten«. 

Interessanterweise können wir im Heiligen Qur’an Beweise für solche unsichtbaren Kräfte finden, die die Himmelskörper zusammenhalten:

»Er hat die Himmel erschaffen ohne für euch sichtbare Stützen, und Er hat in der Erde feste Berge gegründet, damit sie nicht mit euch bebe, und hat allerlei Getier über sie verstreut. Und Wir senden Wasser aus den Wolken nieder und lassen jede edle Art auf ihr sprießen.«5

Der obige Vers wird manchmal so aufgefasst, dass Allah das Universum ohne Säulen erschaffen habe. Eine genauere Übersetzung ist jedoch, dass Allah das Universum ohne sichtbare Säulen erschaffen habe. Dies könne auf die Gravitation im Allgemeinen und auf die Gravitationswellen im Besonderen hinweisen. 

Die erste Beobachtung von Gravitationswellen wurde 1974 gemacht, als ein Doppelsternsystem, der Hulse-Taylor-Doppelpulsar – zwei extrem dichte und schwere Sterne, die um sich selbst kreisten – entdeckt wurde. Dieses Doppelsternsystem wurde von Russell Alan Hulse und Joseph Hooton Taylor Jr. von der Massachusetts Universität Amherst entdeckt. Ihre Entdeckung des Systems und dessen Analyse brachten ihnen 1993 den Nobelpreis für Physik ein. Das System wurde acht Jahre lang beobachtet und es wurde festgestellt, dass sich die Sterne einander mit genau der Rate annäherten, die von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde, wenn Gravitationswellenemissionen auftraten.


Das elektromagnetische Spektrum besteht aus einer Bandbreite von Wellenlängen, von denen sichtbares Licht nur ein kleiner Teil darstellt.
© Philip Ronan 
Veröffentlicht unter Creative Commons BY-SA-3.0

Die zweite große Beobachtung wurde in September 2015 gemacht, trotz der enormen Schwierigkeit, den Nachweis für die Gravitationswellen zu erbringen, die extrem schwache Wirkung haben. Gravitationswellen können aufgrund ihrer sehr geringen Auswirkungen auf Objekte leicht unbemerkt passieren. Die Aufgabe, den direkten Einfluss von Gravitationswellen auf ein Objekt zu erkennen, wurde bis zum endgültigen Bau von LIGO als unmöglich erachtet.

LIGO (Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium) – eine weitere imaginäre Verwendung von Akronymen durch Physiker – sind zwei Observatorien in den Vereinigten Staaten, um Gravitationswellen zu entdecken. Im Gegensatz zu herkömmlichen Observatorien besteht LIGO nicht aus einem Teleskop oder ähnlichen Geräten. Das Observatorium hat zwei große Arme von jeweils vier Kilometern Länge, die senkrecht zueinanderstehen.

Laser-Interferometer bestehen aus einem Laserstrahl, der mit einem Strahlteiler geteilt wird. Die beiden Laserstrahlen verlaufen auch in jedem der Arme senkrecht zueinander. Jede Änderung der Entfernung, die von den Laserstrahlen zurückgelegt wird, führt dazu, dass die zwei Strahlen nicht länger miteinander Schritt halten können, wodurch ein Interferenzmuster erzeugt wird (daher der Ausdruck Interferometer). Die ganze Idee ist, wenn eine Gravitationswelle durch das Observatorium läuft, sich die Observationsarme ausdehnen und zusammenziehen werden, was zu einer Differenz in der Entfernung führt, die von den zwei Laserstrahlen zurückgelegt wird.6

Die Idee von der Raumzeit-Krümmung war das Ergebnis von Einsteins neuem Paradigma für das Verständnis der Natur des Universums. Sie besagt, dass jedes Objekt, das Masse besitzt, die umgebende Raumzeit krümmt. Diese Raumzeit-Krümmung erzeugt die Schwerkraft. Diese Beschreibung der Raumkrümmung wird durch den Heiligen Qur’an bestätigt, der auch den Raum als verformbaren Stoff beschreibt.
© User koya979 | Shutterstock

Die gemessenen Unterschiede sind unglaublich klein. Gravitationswellen führen dazu, dass sich die Arme des Observatoriums nur um einen Bruchteil der Größe eines Protons (0,000 000 000 000 000 000 1 Meter) verändern. Eine andere Möglichkeit, auf diese mikrofeine Beobachtung zu schauen und die bemerkenswerte Genauigkeit des LIGO besteht darin, dass es den Abstand zwischen der Sonne und dem nächstgelegenen Stern Proxima Centauri, der ungefähr 4,25 Lichtjahre entfernt ist, bis auf die Größe von ungefähr der Breite eines menschlichen Haares zu messen.7 LIGO ist zweifellos das präziseste Messgerät, das jemals von Menschen gebaut wurde.

Am 14. September 2015 um 5:51 Uhr (EDT) (09:51 Uhr UTC) [Anm. d. Red.: Eastern Daylight Time (EDT) ist eine Sommerzeit-Zeitzone, die gilt in Nordamerika und Karibik gilt und 4 Stunden hinter UTC (Koordinierte Weltzeit) liegt.], nahmen die Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) Detektoren Beweise für Gravitationswellen auf.8 Physiker haben festgestellt, dass die nachgewiesenen Gravitationswellen während des letzten Bruchteils einer Sekunde produziert wurden, während der Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern zu einem einzigen, viel größeren, rotierenden Schwarzen Loch. Diese Kollision von zwei schwarzen Löchern war vorhergesagt, aber nie entdeckt worden. Basierend auf den beobachteten Signalen schätzen LIGO-Wissenschaftler, dass die Schwarzen Löcher für dieses Ereignis etwa 29- und 36-mal so groß wie die Sonnenmasse waren und das Ereignis vor 1,3 Milliarden Jahren stattfand.

LIGO in Aktion: Ein Laserstrahl wird durch einen Strahlteiler in zwei Arme geteilt. Diese Arme verlaufen senkrecht zueinander. Somit führt jede Änderung der Raum-Zeit-Struktur, die der LIGO einnimmt, zu einer Verzögerung des Laserstrahlempfangs an dem Photodetektor, wodurch ein Interferenzmuster erzeugt wird. Dies ist die Technik zur Messung der Wirkung von Gravitationswellen.

Warum sind Gravitationswellen wichtig?
Die Entdeckung von Gravitationswellen ist ein sehr wichtiger Schritt für unser Verständnis des Universums. Es hat ein neues Fenster geöffnet, das bis vor kurzem geschlossen war. Wir können nun diesen Wellen lauschen und dadurch unser Verständnis des Universums erweitern und Einsichten in das Verhalten von massiven Objekten, wie Schwarzen Löchern und Neutronensternen gewinnen.

Es ist interessant, dass diese Entdeckung zu einer Zeit kommt, in der die wissenschaftliche Community realisiert, wie wenig sie über das Universum eigentlich weiß. In den vergangenen 100 Jahren haben wir enorme Fortschritte bei unserem Verständnis über das Universum gemacht, wie es funktioniert, woraus es besteht und wie es entstanden ist. Aber es scheint, dass wir bei jeder neuen Entdeckung, anstatt ein komplettes Verständnis zu erlangen, realisieren müssen, wie wenig wir eigentlich wissen.

»Der sieben Himmel im Einklang erschaffen hat. Keinen Fehler kannst du in der Schöpfung des Gnadenreichen sehen. So wende den Blick: siehst du irgendeinen Mangel? So wende den Blick abermals und abermals: dein Blick wird nur zu dir zurückkehren ermüdet und geschwächt.«9

Nach Tausenden von Jahren, in denen wir uns über den Himmel Gedanken gemacht haben, Billionen von Dollars für Forschung und Missionen in den Weltraum ausgegeben haben, verfügen wir immer noch lediglich ein minimales Verständnis des Universums; zumal alle beobachtbaren Objekte wie Sterne, Planeten, Galaxien usw. nur 4% des Universums ausmachen.10 Der Rest wird durch ein ausgeklügeltes Wortspiel als »Dunkle Materie« und »Dunkle Energie« bezeichnet. Wir wissen kaum etwas über dieses »dunkle Universum«, das den Großteil dessen ausmacht, was wir Raum nennen. Das neue Fenster, das durch die Entdeckung von Gravitationswellen geöffnet worden ist, könnte uns weitere Einblicke in die Funktionsweise und Zusammensetzung des Universums verschaffen. Oder vielleicht realisieren wir mit diesem neuen Spiegel einfach, dass wir noch weniger wissen und verstehen.

In unserem Streben nach vollständigem Verständnis stoßen wir ständig an unsere Grenzen. So geht die Suche nach einer entscheidenden Entdeckung weiter, die uns endlich von unseren irdischen Grenzen befreien kann. Die Suche geht weiter. Wir realisieren nur wenig, dass die endgültige Autorität beim Schöpfer des Universums ruht, um die Grenzen zu überschreiten:

»O Versammlung von Jinn und Menschen! wenn ihr imstande seid, über die Grenzen der Himmel und der Erde hinauszugehen, dann gehet. Doch ihr werdet nicht imstande sein zu gehen, außer mit Ermächtigung.«11

Über den Autor: Shahab Khokhar verfügt über einen Masterabschluss in Physik mit einer Spezialisierung in der theoretischen Physik, mit Schwerpunkt auf Gravitation und Kosmologie. Derzeit arbeitet er in der Produkt- und Geschäftsentwicklung bei SolarGrid Energy, Inc.

Referenzen:
1. Der Heilige Qur’an, 10:6
2. Der Heilige Qur’an, 81:12
3. Der Heilige Qur’an, 21:105
4. Der Heilige Qur’an, 39:68
5. Der Heilige Qur’an, 31:11
6. Barish, Barry C. and Rainer Weiss, »LIGO and the Detection of Gravitational Waves«, Physics Today 52 (10), 1999
7. https://www.ligo.caltech.edu/page/facts
8. https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20160211
9. Der Heilige Qur’an, 67:4-5
10. »Dark Energy, Dark Matter«. NASA Science: Astrophysics. 5 June 2015
11. Der Heilige Qur’an, 55:34

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