Zwei Schwarze Löcher umkreisen einander. Sie besitzen zusammen die 65-fache Masse der Sonne. Gleich werden sie sich vereinen. Während ihres wilden Tanzes strahlen sie sogenannte Gravitationswellen ab. In Simulationen wie auf dem Foto oben ist das Ereignis bunt dargestellt, in Wirklichkeit ist es nicht sichtbar. Die Form der Wellen ist in etwa vergleichbar mit den Wellen, die ein Kieselstein auslöst, wenn man ihn ins Wasser wirft. Die Gravitationswellen rasen mit Lichtgeschwindigkeit durchs All, sind aber extrem schwach. Albert Einstein, der sie einst in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhersagte, glaubte selbst nicht, dass man sie dereinst „einfangen“ könnte.

Doch genau hundert Jahre später, im September 2015, gelang dies. Dafür haben im vergangenen Jahr drei US-Forscher den Physik-Nobelpreis erhalten. Sie hatten entscheidende Vorarbeiten für die sensationelle Entdeckung geleistet. Verdient hätte den Nobelpreis aber auch eine Wissenschaftlerin, die im Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam-Golm arbeitet: die Physikerin Alessandra Buonanno. Denn sie entwickelte genau jene Wellenmodelle, die solche Gravitationswellen erst erkennbar machten. Und anhand ihrer Modelle wurde die erste Welle 2015 auch als eine solche identifiziert.

Dafür erhält Alessandra Buonanno am Montag, 19. März, in Berlin den renommierten Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der nicht selten als deutscher Nobelpreis bezeichnet wird. Sie ist unter den bundesweit elf Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die in diesem Jahr ausgezeichnet werden, die einzige aus Berlin-Brandenburg. Das Preisgeld von 2,5 Millionen Euro kann sie bis zu sieben Jahre lang für ihre Forschung verwenden.

Flüstersignale in einem lauten Rauschen

Wie erkennt man Flüstersignale in einem lauten Rauschen? So lautete die Frage für Alessandra Buonanno, die 1968 in Italien geboren wurde. Schon im Gymnasium las sie populäre Artikel und Bücher über Teilchenphysik, wie sie erzählt. Sie beschloss, in Pisa Physik zu studieren. „Ich mag, dass wir eine Sprache haben, die wir lernen können und die uns erlaubt, völlig andere Welten zu betreten“, sagt sie auf die Frage, was sie an der Theoretischen Physik fasziniert. Für den Laien klingt diese „Sprache“ natürlich fremd und unverständlich.

Nach Stationen in der Schweiz, den USA und Frankreich wurde die enthusiastische Forscherin 2005 Physikprofessorin an der University of Maryland in College Park unweit von Washington. Bereits 1999 hatte sie mit dem französischen Astrophysiker Thibault Damour den theoretischen Ansatz entwickelt, mit dessen Hilfe „die erste komplette Wellenform der Gravitationswellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern analytisch vorausgesagt“ werden konnte, wie es in einer Erklärung zur Vergabe des Leibniz-Preises heißt. In der Sprache der Wissenschaft nennt er sich Effective-One-Body-Ansatz für das Zweikörperproblem in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Er ermöglichte, Modelle zu entwickeln, die zeigen, wie sich zwei Schwarze Löcher – die sich auch noch selbst rasant drehen – bei den letzten etwa 15 Umläufen vor der Verschmelzung verhalten und welche Wellenformen sie dabei absenden.

An der University of Maryland entwickelten Alessandra Buonanno und ihr Team ihre Wellenformmodelle weiter. Sie erweiterten die Modelle auch auf die Kollision von Neutronensternen. Da die Wellen – je nach Masse der Objekte, Umdrehungsgeschwindigkeiten und anderem – immer anders aussehen können, erarbeiteten sie Tausende möglicher Muster. Buonanno und ihr Team schufen die genaueste und effizienteste Datenbank zur Suche nach Gravitationswellen – nicht nur zum Erkennen der Signale durch höchst leistungsfähige Computer, sondern auch für die Folgeanalyse.

Die Suche findet im Rahmen einer großen, weltweiten Wissenschaftlerkooperation statt, der internationalen Ligo/Virgo-Collaboration, zu der auch das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik mit seinen Standorten Potsdam und Hannover gehört. Virgo und Ligo – so heißen riesige Detektoren in Europa und den USA, mit denen Signale aus dem All aufgefangen werden. Die größten Detektoren stehen in Hanford (Washington) und in Livingston (Louisiana). Ihr Name: Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium (Ligo). Sie besitzen jeweils zwei rechtwinklig angeordnete kilometerlange Arme, in denen Laserstrahlen jedes Signal aus dem All erfassen. Ihre Messung beruht auf der Überlagerung von Wellen.

Als Alessandra Buonanno im September 2014 ihr Amt als neue Direktorin am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam antrat, geschah dies bereits mit Blick auf das zu erwartende große Ereignis. „Ihre fachliche Kompetenz ist genau das, was das Institut jetzt braucht“, sagte damals ihr Vorgänger Bernard F. Schutz, „in drei oder vier Jahren rechnen wir mit der ersten Messung von Gravitationswellen, und die Breite ihrer Forschungsinteressen passt hervorragend in das wissenschaftliche Gesamtprogramm des Instituts.“ Denn Buonanno befasste sich auch mit der Suche nach den Wellen selbst. Unter anderem erforschte sie, wie man die höchst sensiblen Laser-Interferometer noch empfindlicher machen konnte.

Fenster zu einer fremden Welt

Es dauerte allerdings nicht mehr drei oder vier Jahre, bis das erste Signal erfasst wurde, sondern nur ein Jahr. Es war am 14. September 2015 am späten Vormittag. Alessandra Buonanno erinnert sich: „Das Signal rauschte eine halbe Sekunde lang durch die Ligo-Detektoren. Es sah bemerkenswert einfach aus. Eine Sinuswelle mit 10 bis 15 Zyklen, deren Amplitude zunächst zunahm, dann ihr Maximum erreichte und schließlich abflaute.“ Aus der Wellenform ließ sich dank der Vorarbeiten von Buonanno und ihren Kollegen schließen, dass die Schwarzen Löcher eine Masse von 36 und 29 Sonnenmassen hatten, dass sie vor 1,3 Milliarden Jahren verschmolzen und ein neues Schwarzes Loch von 62 Sonnenmassen bildeten.

Schon hier gab es die ersten überraschenden Erkenntnisse. Nicht nur, dass Einsteins Vorhersage bestätigt wurde. Bis dahin hätten die Forscher zum Beispiel nicht gewusst, ob Schwarze Löcher mit mehr als 20 Sonnenmassen überhaupt existieren, sagt Alessandra Buonanno. Seit der Entdeckung des ersten Signals wurden weitere empfangen, 2017 auch erstmals von zwei verschmelzenden Neutronensternen. Dies sind sterbende, ungeheuer kompakte Sterne, nur etwa 20 Kilometer groß, aber mit der Masse der Sonne.

Und es geht weiter. Auch dank der Vorarbeit des Teams von Alessandra Buonanno öffnet sich für Astrophysiker das Fenster zu einer bislang völlig fremden Welt. „Wir waren Jahrtausende lang taub – jetzt können wir das Universum hören“, sagt Karsten Danzmann, Chef des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik.

Die Bedeutung sei enorm. „Wir haben auf einmal ein neues Werkzeug zur Hand, um die dunkle Seite des Universums zu studieren.“ Denn mehr als 99 Prozent des Weltalls sendeten kein Licht und keine elektromagnetische Strahlung aus. Über diese dunkle Materie wisse man nur, dass sie der Schwerkraft unterworfen sei. Karsten Danzmann: „Das nun untersuchen zu können, darin liegt die größte Hoffnung.“