Künstlerische Interpretation einer Reihe von Pulsaren, die von Gravitationswellen beeinflusst werden, die von einem supermassereichen schwarzen Doppelloch in einer fernen Galaxie erzeugt werden. Bildrechte: Aurore Simonnet / NANOGrav Collaboration

Astronomie und Raumfahrt Anbeginn der Zeit: Mit Lisa bis zum Urknall blicken

10. Mai 2024, 07:23 Uhr

Mit Licht können wir nicht bis zum Urknall blicken. Wir können ihn aber mit Gravitationswellen hören. Jedoch müssen wir dafür in den Weltraum aufbrechen. Die Esa plant dafür das größte je dagewesene Observatorium im All: Lisa. MDR WISSEN hat mit Karsten Danzmann gesprochen, dem Forscher, der das Konzept maßgeblich mitentwickelt hat.

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von Patrick Klapetz

Vor etwa 13,82 Milliarden Jahren sollen Materie, Raum und Zeit aus einem unendlich winzigen und heißen Punkt entstanden sein – so besagt es die Theorie vom Urknall. Auch wenn sich der Begriff nach einer kurzen, gigantischen Explosion anhört, beschreibt die Theorie aber einen langen Zeitraum, in dem sich der Raum rasant ausgedehnt hat. Danach soll sich das Universum abgekühlt haben. Die Spuren der ursprünglichen Hitze sind aber als kosmische Hintergrundstrahlung noch heute messbar.

Das Lisa-Weltraumteleskop sucht mit Gravitationswellen nach dem Urknall

Dank Weltraumteleskopen können wir heute einen tiefen Blick in die Vergangenheit unseres Universums werfen. Mit James Webb wurden bereits weit entwickelte Galaxien entdeckt, die es so kurz nach dem Urknall hätte gar nicht geben dürfen. Den Startpunkt, den eigentlichen Knall, können wir nicht sehen, jedenfalls nicht mit Teleskopen, die Licht einfangen.

Mit dem Lisa-Projekt (Laser Interferometer Space Antenna) der europäischen Raumfahrtbehörde Esa könnte sich dies vielleicht ändern: Drei Satelliten, die ein gigantisches Observatorium für die Erforschung der Gravitationswellen bilden. Die Kantenlängen des gleichseitigen Dreiecks betragen jeweils 2,5 Millionen Kilometer.

Karsten Danzmann ist Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und Experte, wenn es um den Nachweis von Gravitationswellen und die Entwicklung der dazu benötigten Laser-Technologien geht. Er hat Lisa maßgeblich mitentwickelt.

Ursprung des Universums: Hören statt sehen

Das Problem an den Teleskopen, die auf sichtbares Licht ausgerichtet sind, erklärt der Astrophysiker so: Mit ihnen könne man "nicht weiter zurückschauen als bis ungefähr 370.000 - 400.000 Jahre nach dem Urknall. Davor war die Welt so heiß und so dicht, dass Photonen, also die Lichtteilchen, nicht durchkonnten." Anders sieht es mit den Gravitationswellen aus. Diese werden kaum gestreut und mit ihnen "können wir bis zum Anfang sehen." Das wäre absolutes Neuland, denn "Wir wissen nicht, was der Anfang ist und wo er war."

"Von der Erde aus lassen sich Gravitationswellen aber nur bedingt erforschen, weil man sie hören muss. "Was wir von der Erde aus hören, sind Gravitationswellen bei hohen Frequenzen, und zwar bei Frequenzen von einigen Hertz bis zu ein paar Kilohertz", sagt Danzmann.

Künstlerische Darstellung der LISA-Satelliten im Sonnensystem bei der Beobachtung von Gravitationswellen aus einer fernen Galaxie Bildrechte: University of Florida/Simon Barke

Da auf der Erde jedoch alles rauscht, können niedrige Frequenzen nicht ausreichend isoliert werden. "Dazu müssen sie irgendwo hingehen, wo es ruhig ist. Und wo ist es ruhig? Da, wo nichts ist. Da oben im Weltraum."

Die Dominanz der schwarzen Löcher am Anbeginn der Zeit

Von der Erde aus können wir Objekte mit dem Ausmaß von einigen Sonnenmassen und winzige Dinge hören. Doch am Anfang des Universums gibt es "Galaxien und viele andere Objekte, die haben nicht eine Sonnenmasse, sondern Tausend, Millionen, Milliarden. Das sind die superschweren Schwarzen Löcher". Jede Galaxie scheint in ihrem Zentrum ein solches, supermassereiches schwarzes Loch zu beherbergen.

Sie haben möglicherweise bereits vor der Entstehung von Galaxien, zum Anbeginn der Zeit, das Weltall dominiert. Danzmann vermutet, dass sie verantwortlich sind dafür, "dass die Struktur in unserer Welt so entstanden ist, wie sie heute ist". Mit den drei Satelliten des Lisa-Projektes können die niedrigen Frequenzen, die solche Objekte ausstrahlen, aufgespürt werden. 

Gab es den Urknall wirklich?

Die Urknall-Theorie ist derzeit eine der plausibelsten Hypothesen, wenn es um die Entstehung unseres Universums geht. Jedoch gibt es auch andere vielversprechende Theorien, wie die des Big Bounce. Hier ist der Urknall nur das Resultat des Kollapses eines Vorgängeruniversums. 

Schema, das den Urknall illustrieren soll: Sich von links nach rechts ausdehnende Grafik mit Materie, die sich zu Elementen, Sternen, Planeten und Galaxien entwickelt. Bildrechte: imago/UIG

Dieser Kollaps wird als Big Crunch bezeichnet, bei dem das Universum unter der Wirkung der Gravitationskraft kollabiert. Statt sich weiter auszubreiten, fällt das Universum in sich zusammen und verschwindet. Beim Big Bounce soll sich dieser Vorgang – von Ausbreitung und Zusammenfall – bis ins Unendliche wiederholen. 

LISA könnte den Beweis für die passende Theorie und die tatsächliche Entstehung unseres Universums liefern. "Und wenn wir dann den Urknall bisher nicht gehört haben, dann bauen wir die nächste Mission und die ist um den Faktor zehn empfindlicher", gibt sich Danzmann optimistisch. 

LISA: Ein weiter Weg

Im Jahr 2035 sollen die drei Lisa-Satelliten mit einer Ariane-6-Rakete ins Weltall gebracht werden. Bis die ersten Daten die Erde erreichen, wird es weitere zwei Jahre dauern. Um die ganzen Daten zu analysieren, braucht es einiges an Rechnerleistung. Mit den bisherigen Supercomputern wird das eine Herausforderung werden. 

Künstlerische Darstellung des Konzepts eines Raumfahrzeugs für die Laser-Interferometer-Weltraumantenne (Lisa) Bildrechte: AEI/Milde Marketing/Exozet

Doch auch hier ist Danzmann optimistisch: "Wir haben noch 15 Jahre, um den entsprechenden Rechner zu bauen. Das wird schon." Mit langen Zeiträumen hat er Erfahrung: Den ersten Vorschlag für LISA hat Danzmann vor 31 Jahren geschrieben. Zu einer Zeit, als Gravitationswellen noch nicht als bestätigt galten. Erst im Jahr 2015 hatten zwei Postdocs diese als erste Menschen überhaupt gehört – und das im gegenüberliegenden Gebäude von Danzmanns Büro.

Die Wellen wurden von dem Gravitationswellen-Observatorium Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in den USA aufgezeichnet. "Es war an einem Montagmittag um 11:50 Uhr und die beiden Postdocs taten, was immer sie so tun: Sie wollten zum Essen gehen", erinnert sich Danzmann. Sie hatten noch zehn Minuten bis dahin und haben sich entschlossen, nachzuschauen, was das laufende Ligo-Experiment bisher aufgezeichnet hat. "Und plötzlich haben sie Wellen gehört."