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Die Nobelpreisträger
im Fach Physik 2017
Am 3. Oktober 2017 ehrte die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften drei Forscher für den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen mit dem Nobelpreis für Physik. Hier stellen wir die Wissenschaftler vor.
Von Felicitas Mokler
V
or gut einem Jahrhundert sagte Albert Einstein in seiner allge- meinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswel- len vorher. Er selbst glaubte jedoch nicht daran, dass sie sich jemals würden messen lassen, denn ihr Effekt ist ex trem gering.Erste Versuche in den 1960er und 1970er Jahren, die Schwingungen der Raumzeit mit Gravimetern oder Resonatoren zu messen, wie Joseph Weber (1919 – 2000) es versuchte, scheiterten. Erfolgversprechen- der sollte das Konzept von Laserinterfero-
metern als Gravitations wellendetektoren werden. Nach Jahrzehntelanger Ent- wicklung gelang den Wissenschaftlern der LIGO-Kollaboration im Jahr 2015 der Durchbruch: Die beiden Detektoren an der Ost- und Westküste in den USA emp- fingen das erste Gravitationswellensignal zweier verschmelzender Schwarzer Löcher aus einer Entfernung von 1,3 Milliar den Lichtjahren (siehe SuW 4/2016, S. 24).
Zur Hälfte wurde der Nobelpreis Rainer Weiss zuerkannt, die andere Hälfte teilen sich Barry C. Barish und Kip Thorne »für
maßgebliche Beiträge zu den LIGO-De- tektoren und die Beobachtung von Gra- vitationswellen«, wie das Nobelkomitee schreibt. Rainer Weiss arbeitete bereits Mitte der 1970er Jahre das Konzept des Michelson-Interferometers als Gravita- tionswellendetektor aus und analysierte mögliche Störquellen, welche die emp- findlichen Messungen beeinträchtigen könnten. Kip Thorne baute gemeinsam mit Weiss die LIGO-Detektoren auf. Bar- ry C. Barish manövrierte das Projekt durch eine finanziell kritische Phase und brachte
WELT DER WISSENSCHAFT: NOBELPREIS
Seit dem Jahr 1901 wird der vom schwedi- schen Chemiker, Ingenieur und Unterneh- mer Alfred Nobel (1833 – 1896) gestiftete Preis jährlich verliehen – »zum größtmög- lichen Nutzen der Menschheit«. Von den bisher insgesamt 207 Ehrungen entfielen 111 auf das Fach Physik, darunter 13 auf astrophysikalische Forschungs arbeiten.
Nach neuesten Erkenntnissen entstand das Gold, das wir auf der Erde finden – und aus dem auch diese Medaille besteht – einst in verschmelzenden Neutronensternen.
©® The Nobel Foundation, Foto: Lovisa Engblom; Bearbeitung: SuW-Grafik
es zur Vollendung. Er gründete auch die LIGO Scientific Collaboration, der derzeit mehr als 1000 Wissenschaftler aus 18 Län- dern angehören.
ó Rainer Weiss wurde 1932 in Berlin ge- boren. Im Jahr 1938 floh seine Familie – der Vater war jüdischer Herkunft – vor den Nationalsozia listen, emigrierte in die USA und ließ sich in New York nieder. Schon früh zeigte sich sein Talent als Bastler und sein Interesse an Elektronik. Bald verdien- te sich Weiss sein Taschengeld mit dem Reparieren von Radios und baute seine ei- genen Empfangsgeräte. Dabei ließ ihm ein Problem keine Ruhe: Wie konnte sich bei Schallplattenaufnahmen das Rauschen reduzieren lassen, das besonders bei ruhi- gen Musik stücken den Hörgenuss störte?
Hierdurch motiviert, begann er am Massachusetts Institute of Technology (MIT) Elektrotechnik zu studieren. Auf der Suche nach einem Studentenjob lernte er am MIT Jerrold Zacharias kennen und arbeitete schließlich mit ihm an der Ent- wicklung von Atomuhren, mit denen sich auch die von Einstein vorhergesagte Gra- vitationsrotverschiebung im Schwerefeld messen lassen sollte. Sein daraus hervor- gegangenes Promotionsthema über die Hyperfeinstruktur und das elektrische Di- polmoment am Fluorwasserstoffmole kül empfand er als langweilig; für das Thema Gravitation und allgemeine Relativitäts-
theorie war Weiss jedoch von nun an Feu- er und Flamme.
Während seiner Postdoc-Zeit in Prince- ton erlernte er von seinem Mentor Robert Dicke wesentliche Techniken zur Feed- backkontrolle mechanischer Systeme und zur Extraktion mechanischer Variabler anhand von Kontrollsignalen. Damit eig- nete er sich einen Wissensschatz an, der ihm bei seiner späteren Arbeit am LIGO- Projekt noch zu Gute kommen sollte. Zu- dem arbeitete er an einem Experiment zur Messung von Gravitationswellen mittels eines Gravimeters.
Im Herbst 1964 nahm Weiss eine Lehrposition am MIT an und baute eine Forschungsgruppe zu Gravitation und Kosmologie auf. 1972 legte er eine wegwei- sende Veröffentlichung über Laserinter- ferometer als Gravitationswellendetektor vor und konstruierte mit seinen Studen- ten einen 1,5 Meter langen Prototypen.
Nachdem diese Interferometer erfolg- reich waren, initiierte Weiss eine Mach- barkeitsstudie für ein Michelson-Interfe- rometer auf Kilometerskala. Außerdem konnte er Kip Thorne vom Caltech von dem Konzept überzeugen. Damit begann eine Zusammenarbeit zwischen den Ar- beitsgruppen an beiden Universitäten, aus denen schließlich das Projekt LIGO hervorging. Im Jahr 1990 wurde LIGO ge- nehmigt, und die Wahl für den Bau der Gravitationswellendetektoren fiel im Jahr 1992 auf die beiden Standorte Hanford im US-Bundesstaat Washington und Livings- ton, Louisiana. Nachdem Barry C. Barish die LIGO-Kollaboration initiiert hatte, wurde Weiss der erste Sprecher von LIGO.
Bei Advanced LIGO ist er weiterhin aktiv.
Rainer Weiss erhielt verschiedene Aus- zeichnungen, unter anderem den Gruber Prize in Cosmology, den Shaw Prize in Astronomy und den Kavli Prize in Astro- physics. Neben seiner führenden Rolle bei der Entwicklung des LIGO-Projekts war er außerdem Mitbegründer von COBE, der ersten Weltraummission zur Messung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds.
ó Barry C. Barish kam 1936 als Sohn jü- discher Emigranten aus Polen in Omaha, Nebraska, zur Welt. Seine akademische Ausbildung zum promovierten Physiker erhielt er an der University of California in Berkeley. Anschließend arbeitete Barish zunächst auf dem Gebiet der Hochener- giephysik. Am Fermilab und am Stanford Linear Collider (SLAC) untersuchte er in
Experimenten von Neutrinokollisionen die Quarkstruktur von Nukleonen, den Kernbausteinen von Atomen. Diese Ex- perimente lieferten ein Puzzlestück für die von Glashow, Salam und Weinberg beschriebene Vereinheitlichung der elek- tromagnetischen und der schwachen zur elektroschwachen Wechselwirkung, die für den Betazerfall verantwortlich ist.
Später initiierte Barish ein Experiment zur Suche nach magnetischen Monopo- len, wie sie in den Grand Unified Theories vorhergesagt werden. Dabei untersuchte er auch die kosmische Strahlung, woraus sich Hinweise auf die Massen der Neutri- nos ergaben. Mehrere Jahre leitete Barish die Designstudie für den International Li- near Collider.
Zum Projekt LIGO stieß er 1994. Von da an war er bis 2005 Principal Investi- gator des Projekts und von 1997 bis 2005 Direktor des LIGO-Labors. Unter seiner Ägide bewilligte die National Science Foundation (NSF) die notwendige Finan- zierung für das LIGO-Projekt, und der Bau der beiden Detektoren in Hanford und Livingston konnte abgeschlossen werden. Barish erkannte das Potenzial zahlreicher Forschungseinrichtungen für die Gravitationswellenforschung auf internationaler Ebene und gründete 1997 die LIGO Scientific Collaboration. Zuletzt betreute er die Entwicklung und Geneh- migung des Antrags für Advanced LIGO.
Rainer Weiss konstruierte den Prototypen eines Gravitationswellendetektors. Seine Studie eines kilometergroßen Interferome- ters schuf die technischen Voraussetzungen für die Realisierung von LIGO.
Barry C. Barish leitete ab 1994 das Projekt LIGO und entwickelte es zu einer inter- nationalen Kollaboration zur Suche nach Gravitationswellen.
Bryce Vickmark Caltech
www.sterne-und-weltraum.de Dezember 2017 43 Mit diesen wesentlich empfindlicheren
Detektoren der neuen Generation gelang schließlich der erste Nachweis von Gravi- tationswellen.
Barish erhielt neben dem Nobelpreis verschiedene wissenschaftliche Auszeich- nungen, unter anderem den Princess of Asturias Award for Technical and Scien- tific Research gemeinsam mit Weiss und Thorne.
ó Kip S. Thorne wurde im Jahr 1940 in Logan, Utah geboren. Als Kind wollte er Schneepflugfahrer werden, bis er einen Vortrag über das Sonnensystem hörte und als Teenager einige Jahre später das Buch
»One two three … Infinity« von George Gamow in die Hände bekam. Von nun an schlug sein Herz für die Astronomie und Kosmologie. Seine akademische Ausbil- dung absolvierte er am California Insti- tute of Technology (Caltech) und an der Princeton University. Dort führte ihn der theoretische Physiker John A. Wheeler in die Geheimnisse der Schwarzen Löcher und Neutronensterne ein.
Thornes Interesse für Gravitationswel- len und die experimentelle Suche nach ihnen wurde durch Joseph Weber geweckt, als dieser in Princeton zu Gast war. Im Jahr 1968 erhielt Thorne einen Ruf als Professor an das Caltech in Pasadena und gründete dort eine kleine Arbeitsgruppe, um wei- ter an der Theorie über Schwarze Löcher, Neutronensterne und Gravitationswellen zu forschen.
Zu Beginn der 1970er Jahre begann er mit seinen Kollegen, seine Vision einer Gravitations wellenastronomie zu entwi- ckeln. Den konkreten Ideen von Rainer Weiss zu einem Laser-Interferometer als Gravitationswellendetektor stand Thorne allerdings zunächst äußerst skeptisch ge- genüber. Bei einem Treffen konnte dieser ihn schließlich von seinem Konzept über- zeugen, so dass Thorne nun Ronald Drever und Stan Whitcomb an das Caltech holte.
Ihr gemeinsames Ziel war es, Laserinter- ferometer in ihrer Funktion als Gravita- tionswellendetektoren zu optimieren. So wurde Thorne zum Mitgründer des LIGO- Projekts.
Anfang der 2000er Jahre reduzierte er sein Engagement bei LIGO, um sich gemeinsam mit Saul Teukolsky Compu- tersimulationen von Gravitationswellen- quellen zu widmen (SXS Project). Anhand dieser Berechnungen ließen sich wichtige Informationen über den Ursprung der in-
zwischen entdeckten Gravitationswellen- signale ableiten.
Neben dem Nobelpreis für Physik er- hielt Thorne zahlreiche weitere wissen- schaftliche Auszeichnungen, darunter den Kavli Prize in Astrophysics, den Shaw Prize in Astronomy und den Gruber Foun- dation Cosmology Prize. Seit 2009 gilt sein besonderes Interesse der Musik und der Kunst. Für den Film »Interstellar« von Christopher Nolan arbeitete er als wissen- schaftlicher Berater und Koproduzent.
Der Nobelpreis – ein Verdienst der gesamten Kollaboration
Zu der Errungenschaft, Gravitationswellen erstmals nachzuweisen, hat die gesamte Gemeinschaft der LIGO Science Collabora- tion beigetragen. Mehr als vier Jahrzehnte dauerte die Entwicklung der Laserinterfe- rometer, bis die LIGO-Detektoren mit der entsprechenden Technologie ausgestattet waren, um empfindlich genug zu messen und Gravitationswellen aus den Tiefen des Alls zu empfangen.
So arbeiteten in den 1970er und 1980er Jahren parallel zu den Wissenschaftlern in den USA Physiker in Garching unter der Leitung von Heinz Billing (1914 – 2017) und in Schottland unter Ronald Drever (1931 – 2017) an Laser interferometern als Prototypen für künftige Gravitations- wellendetektoren. Daraus ging der Gravi-
ta tions wellendetektor GEO600 in Ruthe bei Hannover hervor, der gemeinsam von deutschen und britischen Forschern un- ter der Leitung von Karsten Danzmann am MPI für Gravitationsphysik betrieben wird und Teil der LIGO-Kollaboration ist.
Seither entwickeln Wissenschaftler und Ingenieure dort gemeinsam Technologien und Methoden, mit denen die Messungen empfindlicher werden. Daraus gingen ver- schiedene Technologien hervor, die bei allen Interfero metern der Kollaboration zum Einsatz kommen.
So entwickelten unter anderem For- scher des Max-Planck-Instituts für Gravi- tationsphysik gemeinsam mit Ingeni- euren des Laserzentrums Hannover spezielle Infrarot-Hochleistungslaser, mit denen die beiden LIGO-Detektoren nun im Advanced-Status, in dem auch die ers- ten Detektionen von Gravitationswellen gelangen, betrieben werden. Die Spiegel- aufhängungen der GEO600- und LIGO-In- terferometer wurden maßgeblich an der University of Glasgow hergestellt.
Neben der komplexen Instrumentie- rung der Detektoren stellt die Datenauf- bereitung und -analyse einen weiteren Eckpfeiler bei der Suche und Charakteri- sierung von Gravitationswellensignalen dar. Diese ist eng mit der Simulation von Gravitationswellensignalen verwoben. So beherbergt etwa das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover den Computercluster ATLAS, der die größte Rechen- und Speicherkapazität innerhalb der Kollaboration für die Datenanalyse zur Verfügung stellt.
Um die gemessenen Gravitationswel- lensignale zu charakterisieren und die Natur ihrer Quellen zu verstehen, mo- dellieren die Forscher die Wellenformen, welche die verschiedenen Objekte wie Schwarze Löcher oder Neu tronensterne beispielsweise bei einer Kollision her- vorrufen, am Computer. Diese Modelle haben neben Kip Thorne unter anderem auch Thibault Damour am Institute of Advanced Scientific Studies bei Paris und Alessandra Buonanno, mittlerweile Di- rektorin am MPI für Gravitationsphysik, entwickelt.
Kip Thorne schuf die theoretischen Grund- lagen für den experimentellen Nachweis von Gravitations wellen. Er widmete sich der Frage, welche astrophysikalischen Vorgänge messbare Signale erzeugen.
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FELICITAS MOKLER ist promovierte Astrophysikerin und arbeitet als Redakteurin und Wissenschaftsjournalis- tin im Raum Heidelberg.
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