ET wird Gravitationswellen erforschen, ein physikalisches Phänomen, das von der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein vor über einem Jahrhundert vorhergesehen wurde, und die zum ersten Mal am 14. September 2015 von den wissenschaftlichen Kooperationen LIGO und VIRGO dank der beiden Zwillingsinterferometer zur Messung von Gravitationswellen LIGO in den Vereinigten Staaten, eines im Staat Washington und das andere in Louisiana, beobachtet wurden. Die historische Bedeutung der Gravitationswellen, die durch die Koaleszenz von zwei Schwarzen Löchern erzeugt werden, wurde 2017 mit dem Nobelpreis anerkannt. Das europäische Interferometer VIRGO kam 2017 zu den beiden LIGO bei der Erforschung der Gravitationswellen hinzu und trug unter den zahlreichen gemeinsamen Beobachtungen von Gravitationswellen zur Lokalisierung der astrophysikalischen Quelle der ersten Multi-Messenger-Beobachtung im Himmel am 17. August 2017 bei, bei der die Koaleszenz von zwei Neutronensternen sowohl anhand der Gravitationswellen als auch anhand elektromagnetischer Strahlung untersucht wurde.
Die wissenschaft von ET
Die allgemeine Relativitätstheorie und Gravitationswellen
Bei Gravitationswellen handelt es sich um unendlich kleine Schwingungen der Raumzeit, die durch die beschleunigte Bewegung der Massen erzeugt werden. Denn der allgemeinen Relativitätstheorie nach zeichnet sich unser Universum durch eine vierdimensionale Struktur aus, die Raumzeit genannt wird, in der die drei räumlichen Dimensionen mit der Zeit verschmelzen: Es sind die Körper, die die Geometrie definieren, indem sie Hinweise zur Form geben, die sie annehmen muss, während der Raum, der sich unter dem Gewicht der Körper krümmt, diesen vermittelt, wie sie sich bewegen müssen.
Höre das Zwitschern der ersten nachgewiesenen Gravitationswelle
In dieser Umgebung erzeugen die Massekörper in beschleunigter Bewegung – denken wir zum Beispiel an große Massekörper wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne, die aufeinandertreffen – in der Raumzeit Schwingungen, unendlich kleine Kräuselungen, die sich im Universum bei Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Denken wir, um uns ein Bild von diesem Phänomen zu machen, zum Beispiel daran, was mit dem Wasser in einem Teich passiert, wenn ein Stein hineinfällt, oder an ein gespanntes elastisches Tuch, wenn ein Gewicht darüberrollt. Diese für uns nicht wahrnehmbaren, extrem kleinen Schwingungen der Raumzeit sind Gravitationswellen, kosmische Boten, die, indem sie den tiefen Raum ungestört überqueren, auch die Erde erreichen, auf der es unseren überaus ausgeklügelten Interferometern gelingt, sie zu erfassen. Bei den Gravitationswellen handelt es sich um so kleine Schwingungen, dass Einstein selbst dachte, dass es uns nie gelingen würde, Instrumente zu bauen, die sie zu messen in der Lage wären. Denn es geht darum, Längenänderungen zu messen, die sehr viel kleiner als der Durchmesser eines Atoms sind. Tatsächlich hat ihre Erforschung mehr als ein Jahrhundert in Anspruch genommen und im Laufe von 50 Jahren zur Entwicklung von immer genaueren Detektoren geführt. Die Gravitationswellen, die wir heute auf der Erde zu messen in der Lage sind, sind die bei den im Kosmos auftretenden energiereichsten astrophysikalischen Ereignissen erzeugten, wie der Verschmelzung von Neutronensternen und von Schwarzen Löchern. Gravitationswellen sind überaus wertvolle kosmische Boten, da sie ungestört verlaufen und einzigartige Informationen zu den Quellen, die sie erzeugt haben, bis zu uns bringen.
Multi-Messenger-Astronomie
Dass es gelungen ist, die Gravitationswellen zu beobachten, hat zwei vollkommen neuen Methoden das Universum zu untersuchen den Weg geebnet: der Gravitationswellenastronomie und der Multi-Messenger-Astronomie. Insbesondere ist Letztere die neue Technik zur Erforschung des Universums, die auf der Untersuchung des Phänomens mit unterschiedlichen Instrumenten beruht, die Daten verschiedener kosmischer Boten erheben: Gravitationswellen, elektromagnetische Strahlung, Neutrinos. Ihre Entstehung geht auf 2017 zurück, als die erste Beobachtung einer durch die Verschmelzung von zwei Neutronensternen erzeugten Gravitationswelle erfolgte, zu deren Verwirklichung es von ausschlaggebender Bedeutung war, über ein globales Netzwerk von Detektoren zu verfügen, mit den Interferometern LIGO in den Vereinigten Staaten und VIRGO in Italien, was die Triangolation und somit die Lokalisierung der Quelle im Himmel mit ausreichender Genauigkeit ermöglicht hat. Denn sobald das Gravitationssignal erfasst worden war, hat das globale Netzwerk der Interferometer einen Alarm ausgesandt und so Angaben zu der Richtung erteilt, in der die Radioteleskope auf der Erde und im Weltraum Beobachtungen anstellen sollten. Diese wurden in allerkürzester Zeit in Richtung des Himmelsbereichs neu ausgerichtet, von dem das Gravitationssignal kam, und fingen die Photonen in den verschiedenen Bändern (von Funkwellen bis zu Gammastrahlen) ein, die bei der gewaltigen Explosion erzeugt wurden, die durch die 130 Millionen Lichtjahre von uns entfernt erfolgte Verschmelzung von zwei Neutronensternen ausgelöst wurde. Denn der Vorgang der Verschmelzung der beiden Neutronensterne hat das hervorgebracht, was als „Kilonova” bezeichnet wird, eine Erscheinung, bei der das durch die Kollision freigesetzte Material heftig weit in den Raum geschleudert wird und so Prozesse der Nukleosynthese von Schwermetallen wie Blei und Gold in Gang setzt, die so im gesamten Universum verteilt werden. Diese außerordentliche Beobachtung hat es ermöglicht, viel über die Bildung der Elemente zu verstehen: Nun können wir tatsächlich sagen, dass auch wir „Sternenstaub“ sind. Mit dieser Entdeckung begann die Ära der Multi-Messenger-Astronomie und auch eine neue Herausforderung bei der Untersuchung des Universums für die Wissenschaftsgemeinde weltweit.
An den Grenzen des Universums
ET wird uns zurück in die Vergangenheit unseres Universums führen, bis in das dunkle Zeitalter nach dem Urknall und nach vorn in seine Zukunft und uns so dabei helfen zu deuten, welches sein Schicksal sein könnte. Es wird dazu beitragen, zu verstehen, woraus es besteht und welche Mechanismen der katastrophalsten astrophysikalischen Ereignisse es gibt, denen es als Schauplatz dient. Denn wir wissen wenig von unserem Universum, wir kennen etwas weniger als 5 % davon. Die gewöhnliche Materie, aus der wir gemacht sind, ist alles, was wir heute zu beobachten vermögen. Vom gesamten verbleibenden Teil, ungefähr 95 %, wissen wir dagegen praktisch nichts. Ausgehend von astrophysikalischen Beobachtungen können wir nur sagen, dass 25 % aus einer anderen Form von Materie bestehen, die dunkle Materie genannt wird, und 70 % aus einer geheimnisvollen dunklen Energie. Die Natur beider ist uns unbekannt, doch wir wissen, dass sie eine ausschlaggebende Rolle bei der Entstehung des Universums, so wie es heute ist, gespielt haben und ihnen eine ebenso entscheidende Rolle bei der Festlegung seiner Zukunft zukommen wird. Vielleicht wird sich das Universum mit wachsender Geschwindigkeit ausdehnen und uns zu Dunkelheit und Big Freeze verdammen. Oder vielleicht wird die Beschleunigung derart heftig sein, dass die Raumzeit auseinanderbricht und so alle Strukturen des Universums zerstört werden. Alternativ dazu könnte das Universum seine Ausdehnung verlangsamen, um sich dann zusammenzuziehen und zu der mikroskopischen Größe zurückkehren, mit der es begonnen hat. Und vielleicht könnte der Prozess sich in einer unendlichen Reihe von Zyklen wiederholen. Heute können wir dies nicht wissen: Unsere Unwissenheit hinsichtlich dessen, was das Universum enthält, spiegelt sich unvermeidlich in unserer momentanen Unfähigkeit wider, sein Schicksal vorauszusagen. ET kann jedoch dazu beitragen, den Weg zum Verständnis der dunklen Energie und der Natur der dunklen Materie zu ebnen, indem die primordialen Schwarzen Löcher, die Axionwolken sowie die Ansammlungen dunkler Materie um kompakte Objekte herum untersucht werden.
ET wird darüber hinaus die Physik in der Nähe des Horizonts der Ereignisse der Schwarzen Löcher sondieren und die allgemeine Relativitätstheorie unter Extrembedingungen auf den Prüfstand stellen und neue Theorien wie die Quantengravitation testen und wird mögliche Änderungen der allgemeinen Relativitätstheorie auf kosmologischer Ebene überprüfen können.
ET wird außerdem Gravitationswellenastronomie mit hoher Genauigkeit betreiben und die gesamte Population Schwarzer Löcher mit Sternenmasse und die mit mittelschwerer Masse untersuchen, die in der gesamten Geschichte des Universums erreichbar sind, und es so gestatten, ihren Ursprung (stellar im Vergleich zu primordial), ihre Entwicklung und ihre Demographie zu verstehen. ET wird die Annäherungsphase der Neutronensterne beobachten und einen noch nie dagewesenen Blick auf die innere Struktur dieser Himmelskörper bieten, indem auch die grundlegenden Eigenschaften der Materie in einem noch vollkommen unerforschten System sondiert werden, wie die Quantenchromodynamik bei extremer Dichte, und mögliche exotische Zustände der Materie. ET wird die Türen zu einem noch in jeder Hinsicht zu entdeckenden Universum öffnen.
Bannerbild: Verzerrte Ansicht eines größeren supermassereichen Schwarzen Loches (roter Scheibe), wenn es fast direkt hinter einem Begleit-Schwarzen-Loch (blaue Scheibe) mit der Hälfte seiner Masse vorbeizieht / Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman und Brian P. Powell.