Karsten Danzmann (2017):
Schwerkraftsignale aus den Tiefen des Alls

Der deutsche Physiker Karsten Danzmann und sein deutsch-britisches Kolleg:innen-Team haben die Schlüsseltechnologien entwickelt, mit denen die amerikanischen LIGO-Detektoren am 14. September 2015 erstmals direkt Gravitationswellen nachweisen konnten. Ein solches „Zittern der Raumzeit“, ausgelöst durch massive Kollisionen oder Explosionen im All, hatte Albert Einstein bereits ein Jahrhundert zuvor theoretisch vorhergesagt. Mit ihrem Sensationsfund stoßen die Forscher zugleich ein neues Fenster zum All auf: Die Gravitationswellen-Astronomie erlaubt mittels Schwerkraftsignalen die dunkle Seite des Kosmos zu erkunden.

Externes Video von YouTube laden.

Mehr dazu in unserer Datenschutzerklärung.

Karsten Danzmann – Körber-Preisträger 2017

Schwerkraftsignale aus den Tiefen des Alls

Text: Claus-Peter Sesín
Fotos: Friedrun Reinhold

Der erste Mensch, der je das Signal einer Gravitationswelle zu Gesicht bekam, ist Marco Drago. Am 14. September 2015 saß der italienische Postdoc vor seinem Computer am Max-Planck-Institut (MPI) für Gravitationsphysik in Hannover und wertete Datenströme aus, die von den amerikanischen LIGO-Detektoren (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) hereinkamen. Die beiden baugleichen Stationen sind auf die Messung von Gravitationswellen spezialisiert. Um 11.50 Uhr mitteleuropäischer Zeit meldeten die LIGO-Sensoren, dass sie in den Rohdaten ein Signal gefunden hatten. Die amerikanischen Forscherkollegen konnten das Signal gar nicht bemerken, denn dort war es Nacht, und sie schliefen.

Drago informierte sofort seine MPI-Kollegen. Das Signal war überraschenderweise so stark und klar, dass es in den Rohdaten mit bloßem Auge zu erkennen war. Es schien sogar fast zu schön, um wahr zu sein. Hatten vielleicht Kollegen in den USA ein Testsignal in die Anlagen eingespeist und vergessen, die Community zu benachrichtigen? Hinzu kam, dass sich die beiden LIGO-Detektoren zu der Zeit noch in einem Probelauf befanden und niemand mit einer erfolgreichen Messung gerechnet hatte.

Doch nach drei Monaten intensiver Auswertung konnte die LIGO Scientific Collaboration (LSC) – ein Team von über tausend Forschern aus 18 Nationen – die Zweifel ausräumen: 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, in der südlichen Hemisphäre, sind zwei riesige, sich zuvor als Paar umkreisende Schwarze Löcher ineinandergestürzt. Das eine hatte die 29-fache Masse unserer Sonne, das zweite die 36-fache. Beim Verschmelzen entstand ein noch schwereres Schwarzes Loch mit 62 Sonnenmassen. Die Differenz von drei Sonnenmassen wurde bei diesem kosmischen Mega-Event in Form von Gravitationswellen abgestrahlt – mit einer Energie, die in der letzten Zehntelsekunde der Verschmelzung 50-mal stärker war als die Lichtenergie, die sämtliche Sterne des Universums in dieser Zeit erzeugten.

Der GEO600-Gravitationswellendetektor nahe dem Dorf Ruthe bei Hannover. Die Forscher arbeiten in den Containern. Die Laser-Messstrahlen durchlaufen zwei 600 Meter lange Vakuumrohre. GEO600 ist besonders empfindlich für Wellen aus Supernova-Explosionen und Neutronenstern-Verschmelzungen.
Der GEO600-Gravitationswellendetektor nahe dem Dorf Ruthe bei Hannover. Die Forscher arbeiten in den Containern. Die Laser-Messstrahlen durchlaufen zwei 600 Meter lange Vakuumrohre. GEO600 ist besonders empfindlich für Wellen aus Supernova-Explosionen und Neutronenstern-Verschmelzungen.

Bereits am 26. Dezember 2015 spürten die LIGO-Detektoren die nächste Verschmelzung auf. Diesmal fusionierten im Abstand von 1,4 Milliarden Lichtjahren zwei kleinere Schwarze Löcher von 8 und 14 Sonnenmassen, was einen neuen Giganten von 21 Sonnenmassen gebar. Das Team jubelte, denn nun waren letzte Zweifel beseitigt, dass es sich bei der ersten Messung um ein Artefakt gehandelt haben könnte. Am 4. Januar 2016 schließlich folgte die dritte (und vorerst letzte) Bestätigung. Diesmal belauschten die LIGO-Detektoren den „Todestanz“ zweier Schwarzer Löcher von 19 und 31 Sonnenmassen in 2,9 Milliarden Lichtjahren Abstand.

All diese Präzisionsmessungen wären nicht möglich gewesen ohne die Vorarbeit des Forscherteams um Karsten Danzmann. Es hat viele der in den LIGO-Detektoren verwendeten Schlüsseltechnologien entwickelt, darunter die hochpräzisen und -stabilen Lasersysteme sowie die aufwendig vor Störeinflüssen geschützten optischen Systeme.

Karsten Danzmann, geboren 1955, ist einer der weltweit führenden Experten auf dem Gebiet der Gravitationsphysik. Nach Physikstudium und Promotion in Hannover ging er 1986 an die amerikanische Stanford University, wo er bis 1989 als Professor für Physik tätig war. Von 1993 bis 2001 leitete er die Außenstelle Hannover des MPI für Quantenoptik. Seit 2002 ist Danzmann Direktor am MPI für Gravitationsphysik. Parallel dazu lehrt er seit 1993 als Professor an der Leibniz Universität Hannover und leitet dort das Institut für Gravitationsphysik.

„Die Gravitationswellen-Forschung verspricht schon allein deshalb viele grundlegend neue Erkenntnisse, weil 99 Prozent des Universums dunkel sind und bislang kaum untersucht werden konnten.“

Karsten Danzmann

Dass Gravitationswellen nun genau gemessen werden können, freut vor allem Astronomen. „Es ist so, als hätte die Menschheit ein neues Sinnesorgan erhalten“, kommentiert die Frankfurter Physikerin Sabine Hossenfelder. Mit der Gravitationswellen-Astronomie stoßen die Forscher buchstäblich ein neues Fenster zum Kosmos auf. Bislang konnten sie das Weltall nur mit Hilfe elektromagnetischer Wellen erforschen – Licht, Radio-, Röntgen- oder Gammastrahlung. „Nun hat uns die Schwerkraft gleichsam ihren eigenen Boten geschickt“, sagt Danzmann. „Die Gravitationswellen-Forschung verspricht schon allein deshalb viele grundlegend neue Erkenntnisse, weil 99 Prozent des Universums dunkel sind und bislang kaum untersucht werden konnten.“

Dass Gravitationswellen existieren, hatte Albert Einstein bereits 1916 nachgewiesen – rein mathematisch als Ableitung aus seiner 1915 formulierten allgemeinen Relativitätstheorie. Mit seiner allgemeinen und der bereits 1905 veröffentlichten speziellen Relativitätstheorie stellte Einstein die Welt der Physik auf den Kopf – insbesondere Isaac Newtons „klassische Mechanik“. Newton hielt die Masse eines Körpers für eine Konstante. Einstein jedoch wies nach, dass die Masse eines Körpers stark zunimmt, wenn dieser auf ein Tempo nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird. Die Lichtgeschwindigkeit ist daher ein natürliches Tempolimit im gesamten Universum – auch für die Ausbreitung von Krafteinflüssen und Information.

Gemäß der Relativitätstheorie entsteht Schwerkraft dadurch, dass eine Masse die von Einstein postulierte vierdimensionale Raumzeit krümmt. Diese kann man sich vereinfacht als straff gespannte Gummimatte vorstellen. Legt man eine schwere Kugel auf die Matte, beult diese nach unten aus – die Raumzeit krümmt sich. Rollt danach in der Nähe eine kleinere Kugel vorbei, so wird deren Bahn durch die Delle der schweren Kugel abgelenkt. Diese Bahnabweichung ist die Wirkung der Schwerkraft in der Raumzeit.

Computermonitore im Zentralgebäude von GEO600 zeigen die Laserstrahl-Positionen und eine Reihe diagnostischer Signale. Der schwarze Kasten rechts unten ist ein Bandlaufwerk zur Datenaufzeichnung.

Wirft man mit voller Wucht eine besonders schwere Kugel auf die Matte, erzittert deren gesamte Fläche. Diese Erschütterungen entsprechen Einsteins Gravitationswellen, die sich als kosmisches Beben durch die Raumzeit fortpflanzen. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Dies widerlegt zugleich Newtons These, dass die Schwerkraft sofort ohne zeitlichen Verzug im gesamten Weltall wirke.

Da Gravitationswellen die Raumzeit nur minimal krümmen, glaubte Einstein, sie könnten niemals nachgewiesen werden. Typische Auslöser sind kosmische Katastrophen wie Supernova-Explosionen oder das Verschmelzen zweier sich umkreisender Schwarzer Löcher. Gravitationswellen durchdringen sämtliche Materie. Laufen sie durch einen Gymnastikball, so würde dieser sich zuerst zu einem auf der Spitze stehenden Ei und dann zu einem abgeflachten Kürbis verformen – freilich unmerklich geringfügig.

Direkt nachweisen lassen sich Gravitationswellen mit Michelson-Interferometern, zu denen auch die beiden LIGO-Detektoren zählen. Michelson-Interferometer verfügen über zwei sehr lange, rechtwinklig zueinander verlaufende Messarme. Das Grundprinzip ist einfach: Läuft eine Gravitationswelle durch den Detektor, wird einer der Arme gestaucht, der andere gedehnt. Diese Längenveränderungen werden mit Lasern vermessen. Hochkompliziert ist die Messtechnik, da diese extrem präzise sein muss: Die vier Kilometer langen Messarme der LIGO-Detektoren schwanken in ihrer Länge lediglich um einige Tausendstel des Durchmessers eines Wasserstoff-Atomkerns.

Die enorme Messpräzision der LIGO-Laserinterferometrie ist das Hauptverdienst des deutsch-britischen Danzmann-Teams. Über 100 Wissenschaftler sind an dieser „GEO-Kollaboration“ beteiligt. 20 Kilometer südlich von Hannover, nahe dem Dorf Ruthe, betreiben die Forscher einen eigenen Detektor namens GEO600. Dessen Arme sind nur 600 Meter lang. In GEO600 und kleineren Vorläufern hat das Team die Laser und sonstigen Messapparaturen in jahrzehntelanger Kleinarbeit auf höchste Präzision getrimmt. So sind etwa die optischen Systeme als Pendel an hochstabilen Quarzfasern aufgehängt, um Erschütterungen – etwa durch Erdbeben oder Autos – abzufangen. Hunderte winzige Kraftsensoren (Aktuatoren) mindern den Einfluss externer Stöße zusätzlich. In den 600 Meter langen Röhren der Messarme herrscht ein Hochvakuum, damit keine Luftmoleküle den Laserstrahl stören. Zur Verstärkung des optischen Signals werden sowohl der Laserstrahl als auch gemessene Signale im System recycelt. Dies hat die Messempfindlichkeit nochmals verzehnfacht. All diese Errungenschaften flossen in die beiden amerikanischen LIGO-Detektoren ein. Deren Lasersysteme haben die GEO600-Forscher in Hannover konzipiert, konstruiert und sogar in den USA eingebaut.

Der Laserstrahl des GEO600-Interferometers; unten eine Beobachtungsöffnung in der Staubschutzabdeckung.
Der Laserstrahl des GEO600-Interferometers; unten eine Beobachtungsöffnung in der Staubschutzabdeckung.

Das Messprinzip eines Michelson-Interferometers basiert auf Interferenz. Werden zwei Wellen gleicher oder ähnlicher Frequenz (Schwingungsdauer) überlagert, so können sie sich je nach Phasenlage entweder gegenseitig verstärken oder auslöschen: Fallen zwei Wellenberge aufeinander, addieren sie sich zu einem starken Signal. Fällt ein Wellenberg der einen Welle auf ein Tal der anderen, so löschen sich die beiden Wellen komplett aus.

Im Michelson-Interferometer wird der Strahl eines leistungsstarken Infrarotlasers durch einen optischen Strahlteiler geschickt und dadurch in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der eine Teilstrahl durchläuft den ersten Messarm und wird an dessen Ende von einem Spiegel reflektiert. Der zweite durchläuft den zweiten Arm und wird ebenfalls von einem Spiegel am Ende reflektiert. Die beiden reflektierten Teilstrahlen treffen sich erneut am Strahlteiler und werden von diesem auf einen Messsensor umgelenkt.

Die beiden Teilstrahlen sind so eingestellt, dass sie sich im Normalfall durch Interferenz auslöschen. Dann fällt kein Licht auf den Messsensor. Dies ändert sich, sobald eine Gravitationswelle durch die Arme läuft. Diese staucht und dehnt deren Armlänge. Dadurch muss auch der Laserstrahl mal eine längere und mal ein kürzere Wegstrecke zurücklegen. Folge: Die beiden reflektierten Teilstrahlen löschen sich am Strahlteiler nun nicht mehr durch Interferenz aus, und der Messsensor empfängt Laserlicht, das gleichsam im Takt der Gravitationswelle schwankt.

Detektionstisch von GEO600 mit diversen optischen Komponenten – darunter Scanner und Faraday-Isolatoren.
Detektionstisch von GEO600 mit diversen optischen Komponenten – darunter Scanner und Faraday-Isolatoren.

Gravitationswellen entstehen immer dann, wenn Massen beschleunigt werden. Selbst wenn wir unsere Hand heben oder ein Sprinter startet, entsteht eine winzige, praktisch nicht nachweisbare Gravitationswelle. Auch Kreisbewegungen sind beschleunigte Bewegungen. So sendet etwa die Erde bei ihrem Umlauf um die Sonne ständig Gravitationswellen aus – allerdings nur in einer Stärke entsprechend 200 Watt – kaum genug, um eine Toastscheibe zu rösten.

Wirklich starke Gravitationswellen erzeugen nur kosmische Gewaltakte wie etwa Stern-Explosionen. Größere Sterne von mindestens acht Sonnenmassen brechen am Ende ihrer Lebenszeit unter ihrer enormen Schwerkraft zusammen. Von außen ist das als Supernova-Explosion wahrnehmbar. Supernovae können kurze Zeit so hell leuchten wie eine Milliarde Sonnen, so dass sie auch tagsüber mit bloßem Auge zu erkennen sind. Einen solchen plötzlich am Himmel aufflammenden Lichtpunkt hatten im Jahr 1054 chinesische Gelehrte gesichtet.

Eine Supernova schleudert bei der Explosion ihre Hülle ins All, und aus den Bruchstücken werden in der starken Strahlung seltenere und schwerere chemische Elemente wie etwa Gold „gebacken“. Das Zentrum der Supernova hingegen stürzt in sich zusammen, da nichts die Schwerkraft mehr aufhalten kann. Die Wucht dieser Implosion ist so stark, dass die frisch gebackenen Atome im Zentrum in ihre Bestandteile zerlegt werden. Folge: Innerhalb eines Sekundenbruchteils kollabiert das Zentrum zu einer Kugel von wenigen zehn Kilometern Durchmesser: Ein neuer Neutronenstern ist geboren. Diese relativ kleine Kugel entsprechend dem Großraum Hamburg kann dennoch ein Mehrfaches der Sonnenmasse haben, denn sie besteht aus dicht an dicht gepackten Neutronen, so als wäre sie ein riesiges Mega-Neutron.

„Die vier Kilometer langen Messarme der beiden LIGO-Detektoren sind maßgeschneidert für das Belauschen von Fusionen mittelschwerer Schwarzer Löcher.“

Karsten Danzmann

Bei der finalen Explosion extrem großer Sterne mit über 40 Sonnenmassen entsteht im Innern ein Schwarzes Loch. Es hat eine derart hohe Gravitation, dass nicht einmal mehr Lichtteilchen seinem Schwerefeld entkommen können (daher der Name). Auch Neutronensterne können sich nachträglich in Schwarze Löcher umwandeln, wenn sie genügend weitere Materie in sich hineinsaugen oder wenn zwei von ihnen ineinanderstürzen.

Die Gravitationswellen, die all diese kosmischen Mega-Events aussenden, wollen Danzmann und Kollegen mit jeweils unterschiedlichen Michelson-Interferometern einfangen. Die Frequenzen dieser Raumzeit-Vibrationen sind breit gefächert: Sie liegen zwischen 0,0001 und 1000 Hertz. „Grundsätzlich gilt: Je schwerer die verschmelzenden Massen sind, desto stärker und niederfrequenter sind die ausgesandten Gravitationswellen“, erklärt Danzmann. Bei den Michelson-Detektoren bestimmt die Armlänge, für welche Frequenzbereiche sie besonders empfindlich sind – ähnlich wie bei früheren Kofferradios die Antennenlänge optimal auf das zu empfangende Radiosignal zugeschnitten war.

Die beiden LIGO-Detektoren sind mit ihren je vier Kilometer langen Armen gleichsam maßgeschneidert zum Belauschen von Gravitationswellen, die beim Verschmelzen mittelgroßer Schwarzer Löcher entstehen, wie dem ersten jemals gemessenen Event am 14.9.2015. Entsprechend stark und aus Forschersicht schön fiel das gelieferte Messsignal aus.

Komponenten für den Vakuumbereich von GEO600 werden aus Sauberkeitsgründen während der Lagerung in Alufolie eingewickelt.
Komponenten für den Vakuumbereich von GEO600 werden aus Sauberkeitsgründen während der Lagerung in Alufolie eingewickelt.

„Das Ausbreitungsverhalten von Gravitationswellen entspricht in etwa dem von Schall“, sagt Danzmann. „Der Schall quetscht und dehnt die Luft und eine Gravitationswelle eben den Raum“. Zur Veranschaulichung kann man Gravitationswellen auch anhand von Schallwellen entsprechender Frequenz hörbar machen.

Das Signal von GW150914 war typisch: In der letzten Sekunde vor der Vereinigung, als sich die beiden kosmischen Vielfraße immer näher kamen, ähnelte es einer Sinuskurve, deren Nulldurchgänge immer enger zusammenrückten, während die Amplitude anstieg. Die Frequenz der Gravitationswellen stieg währenddessen von 35 Hertz (in Schallwellen ein tiefer Basston) bis auf 250 Hertz (ein hoher Basston) an. Deutlich höher sind die Töne bei der Vereinigung zweier kleinerer Schwarzer Löcher oder zweier Neutronensterne. „Das kann sich dann ähnlich wie ein Grillenzirpen anhören“, sagt Danzmann. „Englischsprachige Forscher bezeichnen das Geräusch daher auch als Chirp“.

Der GEO600-Detektor bei Hannover ist mit einer Armlänge von 600 Metern gleichsam für die „Sopran“-Region des Gravitationswellen-Spektrums ausgelegt. Seine maximale Empfindlichkeit liegt im Bereich um 1000 Hertz. Das entspricht, in Schallwellen, einem mittelhohen Piepton. 1000-Hertz-Gravitationswellen senden unter anderem explodierende Supernovae oder zwei kleinere ineinanderstürzende Neutronensterne aus. Zum Abhören der basslastigen GW150914-Töne fehlten GEO600 somit die passenden Ohren: Den Bereich von 35 bis 250 Hertz, der am 14.9.2015 durch die Erde wallte, konnte GEO600 schon rein messtechnisch kaum registrieren.

Besonders langsame und energiereiche Raumzeit-Schwingungen erzeugt die Kollision von zwei ultramassiven Schwarzen Löchern mit jeweils über einer Million Sonnenmassen, wie sie in den Zentren von Galaxien sitzen. Eine solche Monster-Vibration schwingt mit nur 0,001 bis 0,0001 Hertz. Das bedeutet: Die Gravitationswelle benötigt für die Vollendung einer einzigen Schwingung zwischen 17 Minuten und knapp drei Stunden. Hörbar machen lassen sich solche Zeitlupen-Schwingungen nicht. Der Mensch kann nur Töne zwischen 20 und 20.000 Hertz wahrnehmen.

„Das Ausbreitungsverhalten von Gravitationswellen entspricht in etwa dem von Schall“, sagt Danzmann. „Der Schall quetscht und dehnt die Luft und eine Gravitationswelle eben den Raum.“

Karsten Danzmann

Um auch die ganz langsam schwingenden Gravitationswellen erfassen zu können, müssen die Astrophysiker ins All hinaus: Im Jahr 2034 soll in Kooperation mit der Europäischen Weltraumorganisation ESA ein Michelson-Interferometer namens LISA (Laser Interferometer Space Antenna) im Weltraum stationiert werden. Das LISA-Grundkonzept stammt ebenfalls vom Danzmann-Team: Drei Satelliten spannen Messarme mit einer Länge von 2,5 Millionen Kilometern auf, ideal für die extrem tiefen Töne, die bei der Fusion ultramassiver Schwarzer Löcher ausgesandt werden. Über derart lange Messstrecken weitet sich der Laserstrahl auf mehrere Dutzend Kilometer auf, so dass er nicht mehr direkt reflektiert werden kann (wie von den Spiegeln am Ende der irdischen Messarme). Stattdessen sendet der Empfänger-Satellit eigene Lasersignale aus, die er mit den bei ihm eintreffenden synchronisiert, „eine Art simulierter Spiegel“, erklärt Danzmann.

In erdgestützten Detektoren sind langsam schwingende Gravitationswellen nicht nur mangels ausreichender Armlänge schwer zu messen. Hinzu kommt, dass Aufzeichnungen im tieferen Frequenzbereich besonders stark von Erdbeben sowie von Erschütterungen durch Meeresbrandung oder Verkehr gestört werden. Aus diesem Grund wurden die beiden LIGO-Detektoren als identisches Paar im Abstand von 3000 Kilometern aufgestellt. Ereignete sich in der Nähe des LIGO-Detektors im US-Staat Washington ein Erdbeben, so würden dessen Erdbebenwellen, die sich mit maximal 7 Kilometern pro Sekunde ausbreiten, frühestens gut 7 Minuten später am zweiten LIGO-Detektor in Louisiana eintreffen. Hingegen gäbe es bei einer direkt von oben kommenden Gravitationswelle überhaupt keine Messverzögerung. Und eine von der Seite kommende bräuchte für die 3000 Kilometer lediglich eine Hundertstelsekunde, da Gravitationswellen sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Das bedeutet: Wenn einer der LIGO-Detektoren etwas misst, was nicht spätestens 10 Millisekunden danach auch der zweite LIGO-Detektor registriert, handelt es sich höchstwahrscheinlich um ein seismisches oder sonstiges Fehlsignal.

Aber auch bei höheren Frequenzen, die weniger von irdischen Störungen beeinflusst werden, ist die Auswertung der Messdaten oft schwierig: Bei der Fusion kleinerer Objekte oder Events, die sich in großem Abstand von der Erde abspielen, können die Messdaten so schwach ausfallen, dass sie im Eigenrauschen des Laser-Messsystems untergehen. Grund: Der Laser sendet diskrete Lichtteilchen (Photonen) aus, deren Strom wegen statistischer Schwankungen mal stärker und mal schwächer ist. Zwar hat das DanzmannTeam dieses Eigenrauschen bereits mit raffinierten Methoden (gequetschtes Laserlicht) auf ein Minimum reduziert. Ganz ausschalten lässt es sich jedoch nicht.

Anschaulich kann man sich das Rausch-Problem so vorstellen: Sitzt man im Wohnzimmer vor einem rauschenden Radio, würde man das Geräusch eines tropfenden Wasserhahns im Badezimmer höchstwahrscheinlich überhören. Hingegen wäre das Geräusch einer defekten, ständig laufenden WC-Spülung laut genug, um sich gegen das Rauschen des Radios akustisch durchzusetzen.

Bei GW-150914 hatten die Forscher Glück, dass das Signal sehr stark ausfiel und daher mit bloßem Auge in den Messdaten erkennbar war. Solch intensive Signale sind aber eher selten. Um auch die vielen schwächeren kosmischen Botschaften aus dem Datenwust der Detektoren herausfischen zu können, nutzen die GEO600-Forscher eine Art Rasterfahndung. Dazu hat die auf theoretische Physik spezialisierte Gruppe am MPI für Gravitationsphysik in Potsdam Verschmelzungen unterschiedlich schwerer Objekte – von Neutronensternen bis zu Schwarzen Löchern – im Computer simuliert. Diese Datenbank aus 250000 Fingerabdrücken liefert Vergleichsmuster, mit denen tatsächliche Kollisionen im Datenstrom der beiden LIGO-Detektoren leichter aufgefunden werden können. Ohne diese Vergleichsvorlagen wären die weniger intensiven Verschmelzungen im Systemrauschen der Detektoren untergegangen.

Die drei bisherigen LIGO-Messungen konnten zweifelsfrei bestätigen, dass aus Supernovae entstandene Schwarze Löcher mit mehr als 20 Sonnenmassen tatsächlich existieren. Weiterhin lieferten sie den Beweis, dass Einsteins Relativitätstheorie auch in Extremsituationen – zwei sich umkreisende Schwarze Löcher erreichen kurz vor ihrer Verschmelzung ein Tempo bis knapp unter der Lichtgeschwindigkeit – noch korrekte Ergebnisse liefert.

Einer der GEO600-Vakuumtanks wird hier als Behälter für eine optische Testeinrichtung genutzt.
Einer der GEO600-Vakuumtanks wird hier als Behälter für eine optische Testeinrichtung genutzt.

Auch für nichtastronomische Anwendungen eignen sich die Präzisionslaser des Danzmann-Teams. Sie können beispielsweise in der Geodäsie (Erdvermessung) und Gravimetrie (Schwerefeldmessung) eingesetzt werden. Bereits seit 2002 befinden sich zwei GRACE-Satelliten (Gravity Recovery and Climate Experiment) in einer polaren Umlaufbahn. Sie umkreisen die Erde in konstantem Abstand zueinander, der mit Mikrowellen laufend gemessen wird. Mit der GRACE-Mission überwachen die Forscher unter anderem den globalen Klimawandel: Änderungen des großräumigen Grundwasserhaushalts der Erde sowie abschmelzende Eismassen, unter anderem an den Polen und in Gletschern, führen zu kleinen Änderungen des Erdschwerefelds, die die beiden Satelliten registrieren. Anfang 2018 sollen zwei NachfolgeSatelliten (Projekt GRACE Follow-on) gestartet werden, die ihren Abstand zusätzlich mit einem Präzisionslaser ähnlich dem im LISA-System messen. Dies steigert die Genauigkeit um den Faktor 25.

Die Mittel des Körber-Preises will Danzmann unter anderem dazu verwenden, die Messtechnik noch weiter zu verbessern – unter anderem durch vermehrten Einsatz quantenmechanisch verschränkter Photonen: „Je feiner die Wahrnehmung unserer Detektoren, desto tiefer reicht unser Blick ins All. Ich erwarte, dass wir bald im Wochentakt neue Verschmelzungen Schwarzer Löcher registrieren können, und mit zukünftigen Detektoren sogar im Stundentakt. Dann können wir endlich die Geheimnisse der dunklen Seite des Universums entschlüsseln, die 99 Prozent seiner Gesamtenergie ausmacht. Und irgendwann werden wir mit Gravitationswellen sogar den Nachhall des Urknalls hören können“.

Der Körber-Preisträger 2017

Karsten Danzmann wurde 1955 in Rotenburg an der Wümme geboren und wuchs in Bremerhaven . Seine Mutter war Lehrerin, der Vater Ingenieur.

Lokomotivführer wie andere Kinder wollte der Preisträger nie werden, dafür aber Astronaut. „Ich gehöre zu der Generation, die durch die beginnende Weltraumfahrt entscheidend geprägt wurde. Von den meisten Kindern sind ja frühe Zeichnungen erhalten, auf denen oft Blumen oder Tiere oder Menschen dargestellt sind. Auf meinen Bildern waren immer Raketen und Raumschiffe.“ Als Jugendlicher besaß Danzmann zwei Teleskope: „Ich habe viele Nächte mit klammen Fingern draußen in der Kälte verbracht, um die klaren Winternächte für Beobachtungen zu nutzen“.

An der Universität machte Danzmann seine Kindheitsträume zum Beruf. Er studierte in Clausthal-Zellerfeld und Hannover Physik und promovierte 1980. Nach mehrjähriger Forschungstätigkeit in Deutschland ging Danzmann 1986 an die amerikanische Stanford University, wo er bis 1989 als Physikprofessor wirkte. Ab 1990 war er drei Jahre lang Gruppenleiter am Max-Planck-Institut (MPI) für Quantenoptik in Garching. Von 1993 bis 2001 leitete Danzmann die Außenstelle Hannover des MPI für Quantenoptik. Seit 2002 ist er Direktor am MPI für Gravitationsphysik in Hannover (Albert Einstein Institut). Parallel dazu lehrt er seit 1993 als Professor an der Leibniz Universität Hannover und leitet dort das Institut für Gravitationsphysik.

Insbesondere die Zeit in Stanford prägte Danzmanns weitere Entwicklung: „… nicht nur weil der Campus einer der schönsten in der Welt ist, sondern auch weil ich dort gelernt habe, dass auch die amerikanischen Kollegen nur mit Wasser kochen und keine Götter sind. Dafür halten sie grundsätzlich alles für möglich und gehen es dann auch an“.

Heute ist Danzmann einer der weltweit führenden Experten auf dem Gebiet der Gravitationsphysik. Aber auch die musischen Seiten des Lebens blieben dem Preisträger nicht verschlossen. Bereits in frühester Jugend lernte er das Klavierspiel und spielt immer noch gern Chopin, Debussy sowie modernere Stücke, etwa aus Musicals. Weiterhin war er im Turnier-Tanzsport aktiv: „Zweimal habe ich es zur deutschen Vizemeisterschaft in der Altersgruppe bis 21 geschafft“.

Preisverleihung 2017

Fotos von der Verleihung des Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft 2017 an Karsten Danzmann im Hamburger Rathaus.

Die Fotos können im Zusammenhang mit einer Berichterstattung über den Körber-Preis mit dem angegebenen Fotocredit Körber-Stiftung/ David Aussenhofer honorarfrei veröffentlicht werden.

Schwerkraftsignale aus den Tiefen des Alls

Schwerkraftsignale aus den Tiefen des Alls
Erfahren Sie mehr über Karsten Danzmann und seine bahnbrechende Forschung.