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Einsteins Wellen einfangen
Astronomen beobachten den Himmel seit fast 400 Jahren im Wesentlichen auf die gleiche Weise. Seit Galileo 1609 seine Teleskope auf den Mond richtete, haben sie immer ausgeklügeltere Methoden zur Erfassung des von weit entfernten Objekten emittierten Lichts verwendet, indem sie nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Radiowellen, Röntgenstrahlen und andere Formen elektromagnetischer Strahlung sammeln. Aber einige der aufregendsten Dinge im Weltraum senden kein Licht in unsere Richtung.
Die Doktoranden Alma Steingart und Brett Shapiro, der LIGO-Wissenschaftler Rich Mittleman und der Physikprofessor Nergis Mavalvala im LIGO-Labor des MIT.
Die Möglichkeit, das Universum mit etwas anderem als Licht zu beobachten, könnte eine neue Ära der Astronomie einläuten – eine Ära, von der die Physiker des MIT glauben, dass sie bald bevorstehen wird. Ihre Hoffnungen hängen vom Nachweis von Gravitationswellen ab, einer Art fundamentaler Strahlung, die 1916 von Einstein vorhergesagt, aber noch nicht direkt beobachtet wurde. Sie glauben, dass die Analyse von Gravitationswellen eine beispiellose Möglichkeit bieten wird, die Aktivität von spiralförmigen Neutronensternen, Schwarzen Löchern und den Kernen kollabierender Sterne zu untersuchen.
Gravitationswellen werden nicht nur von Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagt, sondern die Vorhersagen werden auch durch indirekte empirische Beweise unterstützt, wie zum Beispiel Veränderungen der Umlaufbahnen von binären Neutronensternen, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten beobachten. Bevor Astronomen jedoch Gravitationswellen von weit entfernten Objekten analysieren können, müssen Experimentalphysiker die Wellen direkt nachweisen.
Ein Forscherteam vom MIT und Caltech kann der Herausforderung nicht widerstehen. Gemeinsam betreiben sie das von der National Science Foundation finanzierte Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) an Standorten im Bundesstaat Washington und Louisiana. LIGO wurde in den 1990er Jahren gebaut und basiert auf Entwürfen, die in den 1970er Jahren von Rainer Weiss '55, PhD '62, entwickelt wurden, der heute emeritierter Professor für Physik am MIT ist. Durch die Erkennung von Abstandsänderungen zwischen fein kalibrierten Spiegeln messen die Instrumente von LIGO winzige Verzerrungen im Raum-Zeit-Gefüge. Bei der ersten Generation von Detektoren, die 230 Millionen Dollar kostete, war die Wahrscheinlichkeit, eine Gravitationswelle zu entdecken, gering. Aber LIGO-Physiker glauben, dass sie jetzt die Technologie haben, um die Ecke zu drehen. Mit in Arbeit befindlichen Upgrades erhoffen sie sich eine Verzehnfachung der Empfindlichkeit – genug, um bis 2014 einige Male im Monat Gravitationswellen zu detektieren.
Diese Physiker nehmen sich gerne eines der schwierigsten feinmechanischen Probleme der Welt an: das Messen von Entfernungen, die kleiner sind als die kleinsten Atomkerne. Es ist wirklich schwer. Und das hat eine große Anziehungskraft, sagt Nergis Mavalvala, PhD '97, ein außerordentlicher Professor für Physik, der verbesserte Instrumente für LIGO entwickelt. Aber noch spannender als die Herausforderung ist die potenzielle Auszahlung. Die Schwerewellenphysik wird die Art und Weise verändern, wie wir das Universum sehen, sagt Erik Katsavounidis, außerordentlicher Physikprofessor, der LIGO-Daten analysiert. Es gibt wenige Dinge in dieser Klasse.
Von Newton zu Einstein
Newton beschrieb die Gravitation als Anziehungskraft zwischen Massen. Aber selbst Newton war unzufrieden mit seiner Unfähigkeit zu erklären, was Ursachen Schwere. Das blieb Einstein überlassen, der erklärte, wie die Schwerkraft entsteht, indem er den Raum selbst auf neue Weise beschrieb.
Vor Einstein galt der Raum als absolut und existierte außerhalb des Einflusses der sich darin bewegenden Massen. Einstein stellte sich den Raum als formbar vor und schlug Zeit und Raum als Teil eines vierdimensionalen Systems vor. Massen wie die Sonne verzerren das Gefüge der Raumzeit und verursachen das, was Physiker als Krümmung der Raumzeit bezeichnen. Diese Krümmung beeinflusst die Bewegung anderer Massen, also das, was wir als Gravitation erleben.
Wenn Massen beschleunigt werden, so schlug Einstein vor, verursachen sie Wellen in der Raumzeit wie die Wellen, die sich im Kielwasser eines Bootes durch das Wasser bewegen. Diese Raum-Zeit-Wirbelwellen nennt er Gravitationswellen. Wie Licht- und Schallwellen werden sie in Bezug auf Frequenz und Wellenlänge beschrieben. In Newtons Gleichungen wird die Schwerkraft augenblicklich ausgeübt, eine Näherung, die für die meisten Dinge, die wir beobachten können, wunderbar funktioniert. Gravitationswellen breiten sich jedoch mit Lichtgeschwindigkeit durch die Raumzeit aus. Jede Änderung der Anziehungskraft eines entfernten Objekts braucht also Zeit, um die Erde zu erreichen, genau wie sein Licht. All dies braucht eine Weile, um den Kopf durchzudrehen, gibt Scott Hughes, ein Assistenzprofessor für Physik, zu.
Wenn sich Gravitationswellen ausbreiten, dehnen und komprimieren sie die Raumzeit, sagt Mavalvala. Wenn einer jetzt durch dich hindurchgeht, wirst du vielleicht ein bisschen größer, dann ein bisschen kleiner; etwas breiter, dann etwas dünner. Wenn eine Gravitationswelle zwei Objekte durchdringt, variiert der Abstand zwischen ihnen. LIGO wurde entwickelt, um diesen Effekt zu messen.
Es ist so, dass die Dinge, die LIGO gut erkennen kann, wie Schwarze Löcher, die mit Neutronensternen kollidieren, mit Teleskopen nicht gut zu sehen sind. Aber obwohl solche Phänomene interessant sind, besteht der wahre Wert ihrer Untersuchung darin, sagt Hughes, dass sie uns erlauben, die Gesetze der Physik in Bereichen des Universums zu testen, die unseren eigenen sehr unähnlich sind.
Die Newtonschen Gesetze funktionieren gut in unserem Sonnensystem, wo die Schwerkraft schwach ist. Aber in der Nähe von Schwarzen Löchern, sagt Rainer Weiss, graviere der Weltraum so stark, dass er nicht mehr flach ist; es ist auf schreckliche Weise in sich zusammengerollt. Mit LIGO, sagt er, werden wir Dinge aus Regionen des Universums sehen, in denen Einstein die ganze Geschichte ist. Newton kann man vergessen. LIGO, so hoffen die Physiker, wird das eröffnen, was Hughes ein Extremlabor nennt. Die Messung von Gravitationswellen wird uns Einblicke in die tiefste Natur von Raum und Zeit geben, sagt Edward Bertschinger, Leiter der Physikabteilung des MIT. Bis wir sie gründlich studiert haben, haben wir die Schwerkraft nicht verstanden.
Es dauerte jedoch lange, bis das Physik-Establishment glaubte, dass es sich lohnt, in Technologien zur Messung von Gravitationswellen zu investieren. Weiss, der seine gesamte Karriere am MIT verbracht hat, spielte eine wichtige Rolle bei der Wende.
Die Ursprünge von LIGO
Schon Einstein erkannte, dass Gravitationswellen schwer, wenn nicht gar unmöglich zu messen wären. Obwohl er glaubte, dass sie wirklich existierten, begannen Physiker in den 1930er Jahren, Gravitationswellen als mathematische Kuriositäten zu betrachten. Und da er keine Möglichkeit hatte, seine Vorstellungen darüber zu überprüfen, zog sich Einstein selbst von seinen früheren Behauptungen zurück.
Aber 1960 beschloss ein Mann, den Weiss als mutig und einfallsreich bezeichnet, zu versuchen, Gravitationswellen zu messen. Joseph Weber, Professor an der University of Maryland, baute einen Detektor, der so etwas wie eine Metall-Xylophonstange funktionierte; aber anstatt zu vibrieren, wenn es von einem Hammer getroffen wird, vibriert es, wenn es von Gravitationswellen getroffen wird. Weiss sagt, Weber habe alle möglichen wunderbaren Dinge gesehen und behauptet, er hätte erkannt, was Einstein vorhergesagt hat.
Das Problem war, dass niemand seine Ergebnisse kopieren konnte, obwohl der im Jahr 2000 verstorbene Weber daran festhielt. Weiss sagt, dass ein vorsichtigerer Physiker seinen eigenen Schlussfolgerungen skeptischer gegenübergestanden hätte; er spekuliert, dass Webers Maschinen solche Dinge wie Blitzeinschläge oder problematische Telefonleitungen entdeckt haben könnten, aber Weber untersuchte keine anderen möglichen Erklärungen für seine Daten. Ohne unabhängige Bestätigung von Webers Wellen sei das Feld in einen schrecklichen Zustand geraten, sagt Weiss.
Weiss, nicht weniger einfallsreich als Weber, interessierte sich auch aus experimenteller Sicht für die Gravitation. Er war in den 1950er Jahren aus dem MIT durchgefallen, bekam aber eine weitere Chance von dem legendären Physikprofessor Jerrold Zacharias, der ihn anstellte, um in seinem Labor zu arbeiten. Nach seiner Promotion am MIT verbrachte Weiss einige Zeit an der Princeton University im Labor von Robert Dicke, einem führenden Experten auf dem Gebiet der Gravitation.
Bald nachdem er als Professor ans MIT zurückgekehrt war, wurde Weiss beauftragt, eine Graduiertenklasse über Relativität zu unterrichten. Es war im Frühjahr 1966, und Webers Detektor war in Betrieb. Ich konnte nicht verstehen, was Weber tat, erinnert sich Weiss, also beschloss er, seinen Studenten Gravitationswellen zu erklären, indem er die einfachste Erklärung entwickelte, wie man eine erkennen kann, die ich mir vorstellen konnte. Seine Idee war, ein Interferometer zu verwenden, eine L-förmige Konfiguration von gleich beabstandeten Spiegeln, die Laserlicht verwendet, um die Entfernung präzise zu messen. Wenn Gravitationswellen Objekte passieren, dehnen und komprimieren sie die Raumzeit so, dass sich die Abstände zwischen diesen Objekten ändern. Je größer der anfängliche Abstand zwischen zwei Objekten ist, desto größer ist die Änderung. Je größer die Veränderung, desto einfacher ist sie zu messen.
In den nächsten Jahren entwickelte Weiss Prototypen für die spätere LIGO. Forscher des Caltech sowie Geldgeber der National Science Foundation standen hinter seinen Plänen, bevor es die MIT-Administration tat; das Institut zögerte, Geld für ein riskantes Vorhaben zu verwenden. Aber als die Zusammenarbeit von Weiss mit Kip Thorne und Ronald Drever von Caltech bestand und die Finanzierung gesichert war, stieg das MIT ein.
Das heutige LIGO besteht aus einer Reihe riesiger Interferometer, zwei davon mit vier Kilometer langen Armen und ein drittes mit zwei Kilometer langen Armen. LIGO ist eher ein Ohr als ein Auge und fängt alle Wellen ein, die es hören kann, egal aus welcher Richtung sie kommen. Aber Weiss hofft, dass die Technologie als neue Art von Teleskop dienen wird.
An der Ecke jedes L befindet sich ein Spiegel, der einen Laserlichtstrahl in zwei Teile teilt und einen Strahl an jedem Arm durch vakuumversiegelte Edelstahlrohre zu einem Spiegel am Ende sendet. Die Spiegel reflektieren die Strahlen zurück in die Ecke, wo sie sich rekombinieren, um ein Interferenzmuster aus hellen und dunklen Flecken zu erzeugen. Dieses Muster bleibt gleich, solange sich nichts bewegt. Wenn jedoch eine Gravitationswelle das Interferometer passiert, drückt und dehnt sie den Raum auf subtile Weise und drängt die Spiegel, so dass sich das Muster ändert.
Das klingt einfach genug. Aber das Rauschen aus dem System zu bekommen, ist unglaublich komplex. Alles andere auf dem Planeten kann die Spiegel mehr bewegen als Gravitationswellen, sagt Mavalvala mit sehr wenig Übertreibung. Sie kreuzt eine kurze Liste von Phänomenen an, die LIGO stören können: tektonische Plattenbewegungen, Meereswellen, Straßenverkehr, U-Bahnen, sogar nur die Aktivität von Menschen, die sich bewegen. Auch bei der Herstellung von Mikroprozessoren mit sehr kleinen Features muss nicht annähernd so still gehalten werden wie bei den Detektoren von LIGO. Nur ein Visionär könne sich die technischen Anforderungen von LIGO ansehen und unbeirrt sein, sagt Bertschinger.
LIGO-Wissenschaftler analysieren Daten aus dem ersten Volllauf der Detektoren von November 2005 bis Oktober 2007. Die schiere Datenmenge – die Detektoren erzeugen etwa ein Gigabyte pro Tag – stellt eine enorme Rechenaufgabe dar. Noch schwieriger ist es zu entscheiden, wann eine Gravitationswelle zweifelsfrei nachgewiesen wurde. Angesichts des Vermächtnisses von Weber, sagt Erik Katsavounidis, wollen wir uns absolut sicher sein.
Forscher glauben, dass die aktuelle Technologie von LIGO in der Lage sein sollte, heftige kosmische Ereignisse wie Supernovae zu erkennen, solange sie nicht zu weit entfernt sind. Für unsere Galaxie haben wir eine gute Sensibilität, sagt Katsavounidis. Supernovae sind jedoch selten; Es wird angenommen, dass sie etwa alle 30 Jahre im Bereich von LIGO auftreten. Bis LIGO weiter sehen kann, könnten die besten potentiellen Quellen für nachweisbare Gravitationswellen Objekte sein, von denen Astrophysiker noch nicht einmal etwas wissen.
Die nächste Generation
Mit dem größten Ultrahochvakuumsystem der Erde kann LIGO Spiegelverschiebungen von nur 10 bis 18 Metern erkennen – ein Tausendstel so groß wie der Kern des kleinsten Atoms. Diese Sensibilität wird sich innerhalb von etwa einem Jahr verdoppeln, dank Verbesserungen, die Mavalvala mit dem Einbau eines Turbomotors in ein Auto vergleicht. Und das LIGO-Team plant, die ersten Detektoren komplett zu ersetzen. Der neue Detektorsatz wurde für ein Projekt namens Advanced LIGO entwickelt und wird zehnmal so empfindlich sein und das Volumen des beobachtbaren Raums um das Tausendfache erhöhen.
Im hell erleuchteten Labor des LIGO-Teams mit hangarähnlichen Ausmaßen auf der Westseite des MIT-Campus versteckt Mavalvala ihren Baseballmützenkopf unter einer von zwei 15-Meter-Edelstahlröhren. Die Röhren verbinden sich in einer L-Form, um eine kleinere Nachbildung der Louisiana- und Washington-Interferometer zu bilden. In der Nähe steht ein Apparat, der aus einem riesigen Erector-Set gebaut zu sein scheint, auf einer erhöhten Stahlplattform, die mit Plastikplanen umhüllt ist. Mavalvala erklärt, wie Advanced LIGO dafür sorgt, dass die Plattformen, an denen die Spiegel aufgehängt sind, sehr, sehr ruhig bleiben.
Wenn das Gerät läuft, erfassen Beschleunigungsmesser auf den Plattformen die Bewegung, und Motoren korrigieren diese, indem sie die Plattform in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Jeder Spiegel hängt von seiner Plattform an einem Draht, der Metall- und Glasgewichte hält. Das resultierende Pendel hat eine niedrigere Eigenfrequenz als die der Gravitationswellen. Wenn die Plattform durch seismisches Rauschen schnell erschüttert wird, puffern die Pendel die Bewegung der Spiegel und stellen sicher, dass die winzigen Bewegungen aufgrund von Gravitationswellen nicht verdeckt werden.
Diese Verbesserungen werden die Empfindlichkeit von LIGO gegenüber niederfrequenten Gravitationswellen verbessern. Bei der Messung von Verschiebungen, die weit kleiner als ein Atom sind, müssen sich die Forscher jedoch auch mit verschiedenen Rauschquellen auseinandersetzen, die die Empfindlichkeit in anderen Bereichen einschränken. Im Zwischenbereich wird LIGO durch die thermische Bewegung begrenzt: Atome bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt drängeln sich herum. Daher verursachen die Metallatome in den Drähten, die die Spiegel von LIGO aufhängen, Rauschen in das System. Advanced LIGO verwendet speziell hergestellte Fasern aus blankem Glas, einem weniger verlustreichen Material: Die Atome bewegen sich weniger und ihre Bewegung wird weniger auf den Spiegel übertragen.
Bei höheren Frequenzen sind die Quanteneigenschaften des Lichts das Problem. Wenn man mit Licht misst, sagt Mavalvala, muss man sich mit den Rauscheigenschaften des Lichts selbst auseinandersetzen. Eine höhere Laserleistung bedeutet ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis: Der Laser von Advanced LIGO hat die 20-fache Leistung des aktuellen Lasers.
Mit diesen Verbesserungen sollten wir einmal pro Woche etwas sehen, sagt David Shoemaker, SM ‘80, der leitende Forschungswissenschaftler am MIT, der Advanced LIGO leitet. Wenn wir nichts sehen, stimmt etwas mit der allgemeinen Relativitätstheorie nicht.
Wenn eine Gravitationswelle zum ersten Mal entdeckt wird, werden alle eine rauschende Party feiern, sagt Scott Hughes. Dann, wenn der Kater vorbei ist, sagen wir: „Okay, was machen wir jetzt?“
Durch die Erstellung von Computermodellen von Objekten wie Schwarzen Löchern versucht Hughes herauszufinden, wie man Gravitationswellen für die Astronomie nutzen kann. Da aus Schwarzen Löchern kein Licht entweicht, haben Physiker sie nur indirekt gesehen – etwa durch den Nachweis von Röntgenstrahlen, die Sterne aussenden, wenn sie in ein solches gezogen werden. Aber wenn Schwarze Löcher etwas essen, sagt Weiss, dann stoßen sie sehr zufrieden auf – eine Gravitationswelle. Angesichts der Art und Weise, wie die Allgemeine Relativitätstheorie Dinge beschreibt, angesichts der Detektoren, wie wir sie entworfen haben, wie genau kann ich Dinge wie die Messung der Masse und des Spins eines Schwarzen Lochs tun, sagt Hughes?
Die Physiker, die solche Fragen stellen, betreten das Unbekannte und können nicht alles vorhersagen, was sie lernen könnten. Aber, sagt Bertschinger, ich möchte, dass das MIT Teil dieser Ära ist – um am kommenden Fest der Wissenschaft teilzunehmen.