Rainer Weiss: 50 Jahre LIGO und Gravitationswellen

Der Physiker Rainer Weiss ist bodenständig, unaufdringlich und offen für Diskussionen über seine Forschung. Mit ihm lässt sich erstaunlich leicht ins Gespräch kommen. Vor fünf Jahren verdiente er mit seiner Arbeit die Hälfte 2017 Nobelpreis für PhysikDie andere Hälfte geht an Barry Barish und Kip Thorne für „entscheidende Beiträge zum LIGO-Detektor und zur Beobachtung von Gravitationswellen“. Der in den USA ansässige Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) Hier wurden 2015 erstmals Gravitationswellen beobachtet, was die letzte noch ungeprüfte Vorhersage aus Albert Einsteins jahrhundertealter allgemeiner Relativitätstheorie endgültig bestätigte.

Obwohl Einstein ihre Existenz andeutete, bezweifelte er selbst, dass diese Wellen jemals beobachtbar sein würden, da sie extrem schwach sind. Die bahnbrechende Idee von Weiss, Laserinterferometrie einzusetzen, machte dies schließlich möglich erste Beobachtung – von Gravitationswellen, die von der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher in 1.3 Milliarden Lichtjahren Entfernung von der Erde ausgehen – und die vielen weiteren, die LIGO seitdem entdeckt hat. Es erforderte jahrzehntelange Bemühungen von Weiss, seinen Nobelkollegen und vielen anderen, und die Entdeckung stellte einen Höhepunkt in der Physik dar, der auch eine neue Ära in der Astronomie einleitete. Seit dem Aufkommen der beobachtenden Astronomie haben wir das Universum hauptsächlich durch die Beobachtung zunächst sichtbaren Lichts und dann eines breiten Spektrums elektromagnetischer Wellen erkundet. Nun konnten Gravitationswellen eine neue Möglichkeit bieten, viele kosmische Phänomene zu untersuchen. Nur sieben Jahre nach der Geburt der Gravitationsastronomie hat sie bereits viele wertvolle neue Erkenntnisse hervorgebracht.

Von Nazi-Deutschland über Prag in die USA

Jeder der drei Nobelpreisträger verfolgte seinen eigenen Weg zu diesen Erfolgen. Weiss‘ Weg zeigt, wie talentierte Experimentalphysiker ausgebildet werden, wie neue wissenschaftliche Ideen aus unerwarteten Richtungen kommen können und wie pure Ausdauer erforderlich ist, um ein groß angelegtes physikalisches Experiment zum Erfolg zu führen.

Weiss wurde am 29. September 1932, während der Machtübernahme der Nazis, in Berlin geboren. Weiss‘ Vater Frederick, den Rainer schon in jungen Jahren als „leidenschaftlichen und idealistischen Kommunisten“ beschreibt, war Arzt. Als Jude und Anti-Nazi-Kommunist, der gegen einen wegen Fehlverhaltens angeklagten Nazi-Arzt ausgesagt hatte, wurde Frederick von den Nazis festgenommen, als Rainers Mutter Gertrude mit ihm schwanger war. Auf Geheiß seiner christlichen Frau, deren Familie einige lokale Kontakte hatte, wurde Friedrich freigelassen und nach Prag geschickt. Nach der Geburt von Rainer reiste Gertrude mit ihrem neuen Baby zu Frederick in die Tschechoslowakei, wo das Paar 1937 ein weiteres Kind, Sybille, bekam.

Doch als das Münchner Abkommen 1938 deutschen Truppen den Einmarsch in die Tschechoslowakei erlaubte, musste die Familie erneut fliehen. „Wir hörten die Entscheidung während eines Urlaubs in der Slowakei im Radio und schlossen uns einer großen Gruppe von Menschen an, die nach Prag fuhren, um zu versuchen, ein Visum für die Auswanderung an fast jeden anderen Ort der Welt zu bekommen, der Juden aufnehmen würde“, erinnert sich Rainer in seiner Nobelbiografie . Die Familie zog 1939 in die USA. Nach dem damaligen Einwanderungsgesetz war dies nur möglich, weil Frederick einen Beruf ausübte und weil eine „sehr wundervolle Frau“, wie Weiss sie nennt, aus der philanthropischen Stix-Familie in St. Louis eine Kaution hinterlegte um sicherzustellen, dass die Weisses der Gemeinschaft nicht zur Last fallen.

Weiss wuchs in New York City auf, wo er zunächst die öffentliche Schule besuchte. In der fünften Klasse erhielt er ein Stipendium, über das er sich einer örtlichen Flüchtlingshilfeorganisation anschließen konnte Columbia-Gymnasium – eine Privatschule mitten in Manhattan, die einst mit der Vorbereitung von Schülern verbunden war Columbia University. Musik, Naturwissenschaften und Geschichte waren seine Lieblingsfächer, und als Teenager baute er maßgeschneiderte High-Fidelity- oder „Hi-Fi“-Audiosysteme für Liebhaber klassischer Musik.

Dieses Interesse und seine eigene Neugier führten ihn schließlich zur Physik. Auf der Suche nach einer perfekten Klangwiedergabe versuchte Weiss, die Hintergrundgeräusche, die eine Phonographennadel erzeugte, wenn sie sich entlang der Rille einer altmodischen Schallplatte bewegte und die Musik beeinträchtigte, elektronisch zu eliminieren. Aber seine Bemühungen schlugen fehl und er beschloss, aufs College zu gehen, um genug zu lernen, um das Problem lösen zu können. Diese Ausbildung begann um Massachusetts Institute of Technology (MIT) .

Über einen Umweg von der Elektronik zur Physik

Als Student der Elektrotechnik am MIT wurde von Weiss erwartet, dass er etwas über Generatoren und Übertragungsleitungen lernte, bevor er sich mit der Elektronik befassen konnte, die ihn wirklich interessierte. Dieser starre Plan entsprach nicht seinem Geschmack und so wechselte er im zweiten Jahr zur Physik, weil „die Anforderungen geringer waren“ und der Lehrplan flexibler war. Aber auch das hat nicht sofort geklappt. 1952 verliebte sich Weiss in eine junge Frau, eine Pianistin. Die Beziehung endete nicht gut, und mit gebrochenem Herzen scheiterte Weiss an allen Kursen und musste das MIT verlassen.

Aber es war noch nicht alles verloren. Im Frühjahr 1953 kehrte er als Techniker an das MIT zurück Atomstrahllabor des Physikers Jerrold Zacharias, der die erste Atomuhr entwickelt hatte. „Die Wissenschaft, die in diesem Labor betrieben wurde, war exquisit“, erinnert sich Weiss. „Die dortigen Experimente befassten sich mit den Eigenschaften isolierter einzelner Atome und Moleküle, die nicht durch benachbarte Systeme gestört werden. Jedes Atom war dem anderen gleich und es war möglich, grundlegende Fragen zu seiner Struktur und den Wechselwirkungen zu stellen, die sie zusammenhalten.“ Was als Unterstützung von Doktoranden bei ihren Abschlussarbeiten begann, führte schließlich dazu, dass Weiss direkt mit Zacharias an der Entwicklung arbeitete Cäsium-Atomstrahluhr, was schließlich auch der Fall sein sollte als Zeitstandard für das Bureau of Standards (heute National Institute of Standards and Technology) und die US-Marine übernommen.

Unter der Leitung von Zacharias schloss Weiss sein Studium ab Bachelor-Abschluss in Physik, dann Promotion im Jahr 1962, und lernte etwas über hochpräzise Experimente, ein Schlüsselthema, das zu LIGO führte. Ein weiteres Schwerpunktthema entstand, als Weiss als wissenschaftlicher Mitarbeiter bei einem Astronomen und Physiker arbeitete Robert Dicke an der Princeton University, den Weiss „einen der Helden in meinem Leben“ nennt. Dicke und Weiss untersuchten die Entwicklung einer modernen Version davon Eötvös-Experiment, um das Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie zu verstehen, indem die Äquivalenz von träger und schwerer Masse nachgewiesen wird. Als Dickes neue Gravitationstheorie ein Skalarfeld mit dem Tensorfeld der Allgemeinen Relativitätstheorie kombinierte, bestand seine Idee darin, ein Experiment zu entwickeln, mit dem gemessen werden könnte, wie die gesamte Erde vibrieren würde, wenn eine Gravitationswelle vorbeifände. Ziel des Experiments war es, das Spektrum der skalaren Gravitationsstrahlung zu messen. Sie stellten jedoch fest, dass die Empfindlichkeit ihres Quarzgravimeters aufgrund geophysikalischen Rauschens stark eingeschränkt war. Obwohl die Studie erfolglos blieb, lernte Weiss experimentelle Techniken kennen, die Dicke entwickelt hatte und die sich letztendlich als wesentlich für LIGO und viele andere physikalische Experimente erweisen sollten. Tatsächlich fand Weiss, dass diese zwei Jahre in Princeton „für meine wissenschaftliche Entwicklung äußerst wichtig waren“.

Nachdem er 1964 als Assistenzprofessor an die Physikfakultät des MIT gekommen war, Weiss arbeitete an einem kosmologischen Projekt, das das Spektrum des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) maß., das Relikt des Urknalls, das noch immer das Universum erfüllt. Er trug zur Forschung bei, die feststellte, dass die CMB folgt einer nahezu perfekten Schwarzkörperkurve mit einer Quellentemperatur von 2.7 K – deren Entdeckung zu a führte 2006 Nobelpreis für die führenden Wissenschaftler John Mather und George Smoot.

Messung der Schwerkraft in einem Klassenzimmer

Weiss dachte weiterhin über Gravitationswellen nach, insbesondere als er gebeten wurde, am MIT einen Kurs über Allgemeine Relativitätstheorie zu halten. Das war nicht einfach. Die Mathematik der Allgemeinen Relativitätstheorie ist entmutigend, und die Kurse zu diesem Thema waren eher mathematisch als physikalisch. Als er heute darüber spricht, sagt Weiss: „Ich bin kein Theoretiker. Ich bin ein Klempner … ein Staubsauger-Klempner, ein Elektronik-Klempner, aber ein Klempner.“ Also lernten er und seine Schüler gemeinsam Mathematik – doch unerwartet wurde sein experimenteller Hintergrund von großer Bedeutung.

Wie Weiss erklärt, damals Joseph Weber von der University of Maryland versuchte, Gravitationswellen nachzuweisen durch Messung der Längenänderung großer Aluminiumzylinder während einer vorbeifegenden Welle. Als die Schüler Weiss nach solchen Messungen fragten, kam er auf eine pädagogische Idee danken Experimentieren Sie, um prinzipiell zu zeigen, wie sie hergestellt werden könnten. Platzieren Sie zwei Massen in einem gewissen Abstand im freien Raum, eine mit einem gepulsten Laser und die andere mit einem Spiegel. Messen Sie nun die Hin- und Rücklaufzeit des Laserlichts – und damit die Entfernung. Ändert eine vorbeiziehende Gravitationswelle den Abstand, würden hinreichend genaue Zeitmessungen den Effekt zeigen. Da alle Messungen am Raum-Zeit-Standort des Lasers durchgeführt werden, wird die Berechnung der Allgemeinen Relativitätstheorie unkompliziert – tatsächlich hat Weiss sie einem Klassenproblem zugeordnet.

Webers behauptete Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 1969 wurde nie wiederholt, aber das Beispiel, das seine Arbeit inspirierte, entwickelte sich zu LIGO. Weiss verbesserte die ursprüngliche Idee, indem er einen zweiten Strahlengang mit einem Spiegel an einem Ende hinzufügte, der im rechten Winkel zum ersten Weg in einer „L“-Form angeordnet war und an der Verbindungsstelle einen Strahlteiler hatte. Hierbei handelt es sich um ein Michelson-Interferometer, das im Michelson-Morley-Experiment von 1887 ultrapräzise Messungen der Lichtgeschwindigkeit und auch des CMB-Spektrums durchführte. In der Allgemeinen Relativitätstheorie würde eine Gravitationswelle, die sich senkrecht zur Ebene der Arme ausbreitet, den einen Arm verlängern und den anderen zusammenziehen, wodurch sich die Art und Weise ändert, wie die Lichtwellen in den beiden Armen interferieren. Dies wäre, so Weiss, weitaus empfindlicher als die Messung der Reisezeit entlang eines einzelnen Pfades.

Weiss erinnert sich, wie er im Sommer 1971 „in einem kleinen Raum saß und alle Dinge berechnete, die dieses Experiment stören würden“, einschließlich Lärmquellen. Sein Ergebnis war bemerkenswert: Mit mehreren Kilometer langen Armen wäre es möglich, Entfernungsänderungen von nur 10 zu messen^-18 m – kaum ein Tausendstel der Größe eines Protons – wenn vorbeiziehende Gravitationswellen den Raum belasten und eine Dehnung von 10 verursachen^-21.

Prüfstand und erste Beobachtungen

Einige Kollegen von Weiss standen Gravitationswellen skeptisch gegenüber, aber er entwickelte seine Idee weiter. Es wurde experimentell bestätigt, als kleine Testinterferometer, die in seinem Labor und von einer deutschen Gruppe gebaut wurden, seine Berechnungen bestätigten. Größere Unterstützung kam nach 1975, als Weiss wieder Kontakt zu einem Bekannten aus seiner Zeit in Princeton aufnahm, dem Caltech-theoretischer Physiker Kip Thorne. Thorne erkannte das Potenzial der Gravitationswellenforschung und setzte sich am Caltech für Weiss‘ Idee ein. Im Jahr 1979 wurde die National Science Foundation finanzierte Caltech und MIT, um eine Machbarkeitsstudie zur interferometrischen Erkennung durchzuführen. Bis 1990 unterstützte es LIGO als Caltech-MIT-Betrieb mit dem größten Zuschuss, den es jemals gegeben hatte. Dies ermöglichte den Bau identischer Detektoren mit Armen von 4 km Länge Hanford, Washington und Livingston, Louisiana, für Zufallsstudien zur Bestätigung etwaiger Sichtungen. Diese beinhalteten viele technische Konzepte, die von Experimentalphysikern entwickelt wurden Ronald Drever vom Caltech.

Nachdem LIGO im Jahr 2002 seinen Betrieb aufnahm, erreichte es die vorhergesagte Empfindlichkeit, neun Jahre lang wurden jedoch keine Gravitationswellen nachgewiesen. Die Geräte wurden dann deutlich verbessert und mit einer besseren Isolierung von Lärmquellen versehen „fortgeschrittenes LIGO“ (aLIGO) über fünf Jahre später. Mit 10-fach erhöhter Empfindlichkeit 14. September 2015, aLIGO machte die erste Beobachtung von Gravitationswellen, die von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern ausgehen – eine wundersame Entdeckung, da die Maschine noch für den ersten offiziellen Lauf kalibriert wurde (Physik-Welt 2017; 30 (10) 33).

Ein paar Jahre später Am 17. August 2017 beobachtete aLIGO erstmals Gravitationswellen zweier verschmelzender Neutronensterne (Der Virgo-Gravitationswellendetektor in Italien war ebenfalls beteiligt). Dies waren keine Einzelereignisse. Bis zum Ende seines letzten Beobachtungslaufs, der Ende 2021 abgeschlossen wurde, hatte aLIGO insgesamt gemeldet 90 Beobachtungen von Verschmelzungen zweier Schwarzer Löcher (die Mehrheit), zweier Neutronensterne oder eines Schwarzen Lochs und eines Neutronensterns. 

Blick zurück, Blick nach vorne

Wenn man über diese ersten sieben Jahre der Gravitationsastronomie nachdenkt, freut sich Weiss. „Ich denke, LIGO war ein enormer Erfolg“, sagt er und lobt insbesondere die Art und Weise, wie es die allgemeine Relativitätstheorie und die Astrophysik schwarzer Löcher validiert. Die Ergebnisse von LIGO zeigen, dass wir Schwarze Löcher gut genug verstehen, um die Details ihrer Zwei-Körper-Wechselwirkung vorherzusagen, die innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie genauso schwer zu berechnen ist wie das Drei-Körper-Problem in der klassischen Physik. Ein weiteres Ergebnis ist LIGOs Katalog der Wechselwirkungen zwischen Schwarzen Löchern unterschiedlicher Masse, der Hinweise darauf gibt, wie sie sich zu supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien bilden könnten.

Weiss hebt auch ein bestimmtes Ereignis hervor, das „das größte Aufsehen erregte [und] so viel Wissenschaft hervorbrachte, dass es unglaublich ist“. Die beiden im Jahr 2017 beobachteten kollidierenden Neutronensterne erzeugten ebenfalls elektromagnetische Strahlung, von Gammastrahlen bis hin zu Radiowellen, die von Observatorien auf der ganzen Welt verfolgt wurde (siehe "Ein neuer kosmischer Bote“ von Imre Bartos). Dieses Paradebeispiel der „Multi-Messenger“-Astronomie lieferte einen genauen Ort für das Ereignis; zeigte, dass durch die Wechselwirkung Gold und Platin entstanden, was neue Erkenntnisse darüber lieferte, wie Sterne schwere Elemente bilden; bestätigte, dass sich Gravitationswellen genau mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten; und bot eine neue Möglichkeit, die Hubble-Konstante zu messen und möglicherweise aktuelle Unsicherheiten über ihren Wert auszuräumen.

Weiss‘ Begeisterung wächst, wenn man ihn nach der Zukunft der Gravitationsastronomie fragt. Eine Komponente wäre die Cosmic Explorer-Interferometer, vorgeschlagen von Matthew Evans und Narziss Mavalvala am MIT. Weiss unterstützt nachdrücklich dieses Gerät der nächsten Generation, dessen 40 km lange Arme es zehnmal empfindlicher machen würden als das fortschrittliche LIGO. Europäische Wissenschaftler erwägen das Dreieck Einstein-Teleskop mit 10 km langen Armen, und die Europäische Weltraumorganisation schlägt den Start des Dreiecks vor Laserinterferometer-Weltraumantenne (LISA) in den 2030er Jahren. Seine drei Raumschiffe – die 2.5 Millionen Kilometer voneinander entfernt sind und Laser und Spiegel tragen – würden einen überempfindlichen Detektor bilden.

Jeder Detektor reagiert auf unterschiedliche Frequenzen von Gravitationswellen, die umgekehrt von der Masse des strahlenden Objekts abhängen. So wie die normale Astronomie verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums verwendet, um verschiedene Himmelsphänomene zu untersuchen, beginnen wir, Gravitationsobservatorien zu sehen, die darauf abgestimmt sind, verschiedene Klassen von Gravitationsereignissen zu erkennen. Für Schwarze Löcher reichen die Möglichkeiten von der Suche nach kleinen hypothetischen ursprünglichen Schwarzen Löchern bis hin zum Verständnis, wie supermassive Schwarze Löcher mit der Entstehung von Galaxien zusammenhängen. Gravitationswellen verschmelzender Neutronensterne werden unser Wissen über die Sternentwicklung und die dichte Kernmaterie vertiefen. Sie können auch aus Pulsaren entstehen, um das zu ergänzen, was elektromagnetische Wellen über sie verraten. Spekulativer ist, dass einige Forscher vermuten, dass Multi-Messenger-Methoden zeigen könnten, ob das supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie wirklich das eine Ende eines Wurmlochs ist.

Was Weiss an diesen kommenden Detektoren am meisten begeistert, ist, dass sie „spektakuläre Wissenschaft leisten könnten, indem sie das Feld in die Kosmologie, das Studium des gesamten Universums, einbringen“. Wie er erklärt, der russische Theoretiker Alexei Starobinskiǐ hat gezeigt, dass, wenn eine Vakuumschwankung den Kosmos auslöste, das Universum eine schnelle kosmische Inflation erfuhr und die unvorstellbare Beschleunigung viele niederfrequente Gravitationswellen erzeugen würde. Diese würden wie die kosmische Hintergrundstrahlung einen verbleibenden universellen Hintergrund bilden, der jedoch aus einer Zeit sehr nahe am Urknall stammt und neue Informationen über frühe Prozesse wie die Entstehung dunkler Materie enthält. Diese Wellen wären schwer zu erkennen, aber Forscher planen eine Kombination aus boden- und weltraumgestützten Detektoren, die ein neues Werkzeug zur Lösung einiger großer Fragen in der Physik, Astronomie und Kosmologie bilden würden.

Aber wenn Weiss über seine lange Karriere und seine zukünftige Forschung nachdenkt, möchte er die Dinge nicht einfach so zusammenfassen: „Ich bin nicht so ein Typ.“ Es mag enttäuschend sein, keinen abschließenden Kommentar zu hören, aber angesichts seines jahrzehntelangen Engagements für den erfolgreichen Aufbau von LIGO, seiner Vision, die Gravitationswellenwissenschaft weiter voranzutreiben, und seiner ansteckenden Leidenschaft für beides hat Rainer Weiss bereits eloquent gesagt alles, was er zu sagen hat.