Missing Link: Zweifel trotz Nobelpreis – Streit über Gravitationswellen-Messungen
Der Nachweis von Gravitationswellen war einer der größten wissenschaftlichen Erfolge der vergangenen Jahre. Doch an der Forschung gibt es Zweifel.
(Bild: Festa/Shutterstock.com)
Das Universum wackelt. Wir wissen das seit etwas mehr als vier Jahren. Es war der 14. September 2015, an dem LIGO (das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) zum ersten Mal ein solches Wackeln registrierte. Das Signal von diesem Tag schrieb die Kollaboration dem Zusammenschmelzen zweier Schwarzer Löcher zu. Und was für ein schönes Signal das war: Genauso, wie es laut Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie aussehen sollte.
Dafür bekamen die Denkväter des Experiments – Kip Thorne, Rainer Weiss, und Barry Barish – 2017 dann auch den Nobelpreis für Physik verliehen. Im selben Jahr begann außerdem ein weiteres Experiment – Virgo – Gravitationswellen aufzuspüren. Die LIGO/Virgo-Kollaboration hat inzwischen Dutzende von erfolgreichen Messungen verkündet. Nicht nur das Zusammenschmelzen zweier Schwarzer Löcher will man in den Daten gefunden haben, sondern auch Schwarze Löcher, die Neutronensterne verschlingen und, gelegentlich, sogar Kollision zweier Neutronensterne.
Aber trotz der vielen Messungen und trotz des Nobelpreises, halten sich hartnäckige Zweifel daran, ob diese Experimente denn wirklich Gravitationswellen gemessen haben.
Funktionsweise eines Graviationswelleninterferometer
Wenn zwei Schwarze Löcher einander zu nahe kommen, vereinen sie sich zu einem größeren Schwarzen Loch, ähnlich wie zwei Wassertropfen. Bei dieser Vereinigung setzen die Schwarzen Löcher enorme Mengen an Energie frei; für den Bruchteil einer Sekunde ist ihr Energieumsatz sogar höher als der aller Sterne im gesamten Universum zusammen. Der Hauptteil dieser freigesetzten Energie entwischt, weil Raum und Zeit anfangen zu schwingen. Es sind diese periodischen Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit, die Physiker als Graviationswellen bezeichnen.
Die Suche nach Gravitationswellen (13 Bilder)
(Bild: LIGO/Caltech/MIT/University of Chicago (Ben Farr) )
Man kann Gravitationswellen auch nach Milliarden von Jahren beziehungsweise aus einer Entfernung von Milliarden Lichtjahren noch detektieren. Identifizieren können Physiker die Raumzeitverzerrungen mit genauen Abstandsmessungen in zwei orthogonalen Richtungen. LIGO nimmt diese Abstandsmessungen mithilfe von Lasersignalen vor, die zwischen Spiegeln einige Kilometer hin und her laufen. Schon die kleinsten Änderungen in den Laufzeiten führen dazu, dass die Wellenberge und -täler des Laserlichts sich gegeneinander verschieben – die Interferenz ändert sich. Ein Arm des Interferometers muss dann etwas länger oder kürzer gewesen sein, als normalerweise der Fall.
LIGO selbst besteht aus zwei solchen Gravitationswelleninterferometern, die sich in den US-Bundesstaaten Washington und Louisiana – etwa 3000 Kilometer voneinander entfernt – befinden. Virgo in der italienischen Toskana bringt ein drittes Interferometer in den Bund ein. Um Fehlmessungen zu vermeiden, sucht die LIGO/Virgo-Kollaboration nach Signalen, die etwa zeitgleich in allen Detektoren anschlagen. Die verbleibenden, kleinen zeitlichen Unterschiede kommen daher, dass die Gravitationswellen aus einer bestimmten Richtung kommen, und die Detektoren deswegen nicht genau zeitgleich erreichen. Aus diesen Verzögerungen, die einige Millisekunden betragen, kann dann auch die Richtung berechnet werden, aus der das Signal kam.
Alte Zweifel wurden nie behoben
Soweit zur Idee, nun zur Realität. Schon vor zwei Jahren warnte eine Gruppe von Physikern in Dänemark unter der Leitung von Professor Andrew Jackson, sie sei nicht in der Lage, das Signal der ersten Gravitationswellenmessung aus den (öffentlich verfügbaren) Daten zu rekonstruieren. Das Hauptproblem, auf das die dänische Gruppe stieß, war, dass auch das Hintergrundrauschen in den LIGO-Detektoren zeitlich korreliert schien. Weil die Signalrekonstruktion maßgeblich auf der Zeitkorrelation zwischen den Detektoren beruht, ist es schwer, das Signal vom Rauschen zu unterscheiden. Das heißt nicht, dass die Dänen behaupten, das Gravitationswellensignal sei selbst Rauschen, sondern nur, dass die genaue Form des Signals unklar ist.
Die LIGO/Virgo-Kollaboration ignorierte die Kritik zunächst. Später fanden sich dann einige Mitglieder der Kollaboration, die versuchten, die Analyse der Dänen nachzuvollziehen. Dabei stellten sie technische Fehler in deren Analyse fest und behaupteten, dies würde das Problem beheben. Die dänische Gruppe konterte, dass diese Fehler irrelevant seien und die Probleme ungelöst bleiben.
Noch in einem Interview im November 2018 sagte Jackson, dass seine Gruppe außer dem ersten Signal keine der angeblichen Gravitationswellenmessungen hat reproduzieren können. "Als jemand aus Dänemark", fügte er an, "bin ich versucht zu sagen, wir haben hier einen Fall von des Kaisers neuen Gravitationswellen." Die LIGO/Virgo-Kollaboration hat sich nach wie vor nicht offiziell zu dieser Kritik geäußert.
Für die meisten Physiker verschwanden jedoch die letzten Zweifel an echten Gravitationswellen im August 2017. Damals berichteten LIGO und Virgo, sie hätten das Signal einer Neutronensternkollision gesehen – das bisher stärkste überhaupt. Im Gegenteil zu einer Kollision von Schwarzen Löchern, bei der die Energie fast ausschließlich in Form von Gravitationswellen freigesetzt wird, strahlen Neutronensterne auch Teilchen und elektromagnetische Strahlung in vielen Frequenzbereichen ab. Genau solche Strahlung wurde von mehreren Teleskopen etwa zeitgleich mit den Gravitationswellen gemessen. Dies scheint zu bestätigen, dass die Signale, die LIGO/Virgo sieht, kosmischen Ursprungs sind, und nicht etwa unbekannten irdischen Quellen zuzuordnen sind.
Kritiker halten entgegen, der damalige Alarm der LIGO/Virgo-Kollaboration, dass man die Gravitationswellen einer Neutronensternkollision gemessen habe, kam 40 Minuten nachdem die NASA – dank dem Weltraumteleskop Fermi – einen automatischen Hinweis über eingehende Gammastrahlen ausgegeben hatte. Nur ein LIGO-Detektor hatte Sekunden vorher einen automatischen Hinweis ausgegeben. Deshalb kann dieses Ereignis nicht als unabhängige Bestätigung dafür herhalten, dass LIGO tatsächlich Signale außerirdischen Ursprungs empfängt. Es kommt dazu, dass einige Astrophysiker bezweifeln, dass die gemessene elektromagnetische Strahlung überhaupt zu einer Neutronensternkollision passt. Andere wiederum vermelden unter dieser Voraussetzung bahnbrechende Entdeckungen.
Schweigen und Widerrufe
Vergangenes Jahr dann berichtete das britische Magazin New Scientist, dass, laut Aussagen von Mitgliedern der LIGO/Virgo-Kollaboration, die mit dem Nobelpreis gewürdigte Abbildung von LIGOs erstem Signal "nicht mithilfe von algorithmischer Analyse gefunden wurde", sondern teilweise "nach dem Auge" gezeichnet und "aus pädagogischen Gründen von Hand verbessert" wurden. Das Fachmagazin, in dem damals der wissenschaftliche Artikel mit der besagten Abbildung veröffentlicht wurde, kommentierte den Medienbericht nicht.
Auch die LIGO/Virgo-Kollaboration ist still geblieben und hat sich zu der Frage, was denn nun eigentlich in der Abbildung zu sehen ist, nicht geäußert. Sie hat lediglich eine Erklärung herausgegeben, laut der man "volles Vertrauen" in die veröffentlichten Resultate habe.
Im April dieses Jahres nun begann LIGO/Virgo die dritte Phase der Beobachtungen. Ein vorangegangener Ausbau des Experiments hatte die Sensitivität der Detektoren gegenüber der zweiten Phase um 40 Prozent erhöht. Viele Physiker hofften nun, dass die neuen Beobachtungen die Situation mit zusätzlichen Neutronensternkollisionen und deren elektromagnetischen Pendants klären würden. Das aber ist nicht geschehen.
Seit April hat die LIGO/Virgo-Kollaboration 41 Ankündigungen für neue Signale ausgegeben. Diese Ankündigungen werden automatisch mit näherungsweisen Richtungsangaben öffentlich gemacht und sollen Astronomen Zeit geben, nach begleitenden elektromagnetischen oder optischen Signalen zu suchen. Von den 41 Ankündigungen hat die Kollaboration acht später zurückgezogen, weil sie vermutlich auf einen irdischen Ursprungs zurückgingen.
Die Anzahl der Widerrufe ist also hoch. Der Grund dafür ist teilweise, dass die Forscher selbst noch lernen müssen, wie ihre Detektoren funktionieren. Man befindet sich hier auf wissenschaftliches Neuland und die Physiker müssen erst herausfinden, wie die Daten am besten zu analysieren und zu interpretieren sind. Eine zusätzliche Schwierigkeit ist, dass die Ankündigungen gleichzeitig aber schnell ausgegeben werden müssen, damit die Teleskope ausgerichtet werden können, bevor das Ereignis vorbei ist. Das lässt nicht viel Zeit für eine sorgfältige Analyse.
Die damit entstandene Lage ist verwirrend: In der dritten Phase der Beobachtungen hat die Kollaboration zum Beispiel bisher eine statistisch hochsignifikante Messung gemacht, die einer Neutronensternkollision zugewiesen werden konnte. Dieses Gravitationswellensignal wurde am 25. April empfangen. Das dazu passende elektromagnetische Signal wurde jedoch nicht gefunden. Dafür könnte es aber es mehrere gute Gründe geben. Zum Beispiel zeigte die Analyse der LIGO/Virgo-Daten, dass das Ereignis sehr weit entfernt stattgefunden haben muss, etwa viermal so weit, wie die erste Neutronensternkollision vom August 2017. Das bedeutet, dass jedes elektromagnetische Signal etwa um einen Faktor 16 schwächer und daher plausibel schwer zu detektieren gewesen wäre.
Dasselbe spielte sich wieder am 14. August ab. An dem Tag berichtete die Kollaboration, sie hätte ein Signal von einem Schwarzen Loch, das einen Neutronenstern verschlingt, vorzuweisen. Astronomen drehten ihre Teleskope in die angegebene Richtung, aber auch in diesem Fall konnte niemand ein elektromagnetisches Begleitsignal finden.
Für diese Gravitationswellenmessung vom 14. August sagen die Schätzungen jedoch, dass die Quelle sogar etwa sieben Mal so weit entfernt ist, wie das Signal von 2017, so dass die gesuchten Begleitsignale um etwa einen Faktor 50 schwächer sind. Es könnte außerdem sein, dass die elektromagnetische Strahlung aus physikalischen Gründen verloren ging, zum Beispiel weil der Neutronenstern in einem Biss verschlungen wurde. In diesem Falle würde nicht viel Strahlung emittiert werden. Oder vielleicht waren der Neutronenstern und das Schwarze Loch von einer Wolke kosmischen Staubs umgeben. Dann würden zwar die Gravitationswellen durchgehen, die elektromagnetischen Signale jedoch weitgehend stecken bleiben. Im Nachhinein kann man sich also Gründe zusammen reimen, die die ausbleibenden elektromagnetischen Signale erklären.
Am 17. August gab die LIGO/Virgo-Kollaboration einmal mehr eine Ankündigung heraus: Man habe ein Schwarzes Loch gefunden, das einen Neutronenstern verschlingt. Aber auch die wurde rasch widerrufen. Bisher hat kein Teleskop in der Welt, das den Ankündigungen von LIGO/Virgo nachforschte, ein zu den angeblichen Gravitationswellen passendes elektromagnetisches Signal gesehen.
Gerüchte und die "glitches"
Die weiterhin ausstehende unabhängige Bestätigung, das LIGO/Virgo wirklich Ereignisse außerirdischen Ursprungs sieht, inspiriert inzwischen Gerüchte. In einem Artikel bei Telepolis etwa spekuliert der deutsche Physiker Alexander Unzicker, ob das schöne erste Signal eventuell lediglich ein Scheinsignal zu Testzwecken gewesen sei. Die drei Wissenschaftler, die für solche Scheinsignale zuständig sind, streiten dies natürlich ab. Da es aber für Außenstehende nicht nachzuvollziehen ist, was in dieser wissenschaftlichen Kollaboration vor sich geht, und wer sonst noch Zugang zu dem Testprozess gehabt haben könnte, lassen sich solche Spekulationen nicht leicht von der Hand weisen.
Hinzu kommen die sogenannten "glitches": Dabei handelt es sich um Detektorsignale unbekannten Ursprungs, deren Frequenzverteilung nicht so aussieht, wie man es für ein Gravitationswellenereignis erwartet. Die Kollaboration nummeriert die glitches mit einem Datum und zwei Ziffern, was darauf hinweist, dass pro Tag etwa 10 bis 100 davon vorfallen. Die Kollaboration hat ein Citizen Science Projekt – der "Gravity Spy" – um Freiwillige zu rekrutieren, die sie visuell identifizieren und kategorisieren sollen. Denn es gibt nicht nur eine Art von glitch, sondern viele verschiedene. Sie haben inzwischen Namen wie "Koi Fish", "Whistle" oder "Blip".
(Bild: Gravity Spy)
Diese falschen Treffer machen deutlich, dass es generell unklar ist, genau was diese Detektoren eigentlich detektieren. Ein Verfahren, bei dem unverstandene und ungewollte Daten schlicht per Hand aussortiert werden, ist aber kein guter wissenschaftlicher Standard. Hinzu kommt, dass die LIGO/Virgo-Kollaboration keinen systematischen Versuch gemacht hat, andere Erklärungen für ihre Messungen auszuschließen. Andrew Jackson fasste die Situation wie folgt zusammen:
"Das charakterische Signal hier ist ziemlich generisch. Was findet [die Kollaboration]? Sie finden [ein Signal] bei dem die Amplitude ansteigt und die Frequenz ansteigt und dann verstummt. Das beschreibt so ziemlich jedes katastrophische Ereignis, was man sich vorstellen kann [...] Deshalb hätten sie wirklich jeden irdischen Effekt ausschließen müssen, inklusive seismischer Ereignisse und der Tatsache, dass es in Burkina Faso einen Blitzeinschlag zu exakt derselben Zeit gab [wie das erste Signal]."
Niemand kann die Resultate kontrollieren
LIGO und Virgo sind die ersten Experimente ihrer Art. Die Kollaboration umfasst mehrere tausend Physiker und damit fast jeden, der heute als Experte zu Graviationswellen durchgeht. Aus diesem Grund kann die LIGO/Virgo-Kollaboration es sich leisten, Kritik einfach zu ignorieren, auf ihre eigenen Analyseverfahren zu vertrauen und die Welt im Unklaren darüber zu lassen, genau wie sie eigentlich was analysiert.
Es ist zwar auch in der Teilchenphysik der Fall, dass Riesenkollaborationen ihre Daten nach eigenem Gutdünken analysieren, aber die Situation ist nicht vergleichbar. In der Teilchenphysik hat man die heute benutzten Datenanalysemethoden über Jahrzehnte hinweg in Dutzenden von unabhängigen Experimenten und Kollaborationen entwickelt. In dem Fachbereich hat man daher gute Gründe, den Methoden zu vertrauen. Mit Gravitationswellen ist das nicht so. Es gibt schlicht niemand, der die Resultate kontrollieren kann.
Zumindest noch nicht: Noch im Dezember diesen Jahres soll sich das japanische Experiment KAGRA der Gravitationswellensuche anschließen. Im Gegenteil zu LIGO und Virgo ist dieses Gravitationswelleninterferometer unterirdisch angelegt, was irdische Streusignale weniger wahrscheinlich macht. Das KAGRA-Interferometer benutzt außerdem tiefgekühlte Spiegel, wodurch thermische Fehlerquellen reduziert werden. Damit wird dann hoffentlich die Richtungsbestimmung akkurat genug, damit ein Teleskop endlich bestätigen kann, dass die angeblichen Gravitationswellensignale außerirdischen Ursprungs sind. Was ja eigentlich niemand bezweifelt.
Oder doch? (mho)
