Planckton

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Die Wissenschaft ist ein ernstes Geschäft, aber gehört ihr deshalb das letzte Wort?

Gravitationswellen und das Entdeckerdilemma

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Die Gravitationswellenforschung blickt auf viele Falschmeldungen von Entdeckungen zurück. Was lief diesmal anders?

“We have detected gravitational waves. We did it.” Diese Sätze, mit denen David Reitze , der Executive Director der LIGO Kollaboration am letzten Donnerstag die Pressekonferenz zur Bekanntgabe der ersten direkten Detektion von Gravitationswellen einleitete, erzeugten am letzten Donnerstag wohl nicht nur bei Physikern Gänsehautfeeling. Dabei gab es viele verschiedene Gründe für emotionale Ergriffenheit: Der erste direkte Nachweis der vor etwa hundert Jahren von Einstein postulierten Gravitationswellen, eine weitere Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie, die Beobachtung zweier ineinander stürzender schwarzer Löcher und damit der Beweis, dass es schwarze Löcher wirklich gibt, und nicht zuletzt die Öffnung eines neuen Fensters ins Universum, die Grundsteinlegung für eine zukünftige Graviationswellenastronomie. Ein historisches Ereignis in vielerlei Hinsicht.

David Reitze bei der Bekanntgabe der Gravitationswellendetektion.© APDavid Reitze bei der Bekanntgabe der Gravitationswellendetektion.

Spannend war das Ereignis aber auch in einem viel weitergefassten Kontext, nämlich vor dem Hintergrund der Frage, wie wissenschaftliche Entdeckungen geschehen. Auf den ersten Blick könnte man denken, eine wissenschaftliche Entdeckung würde ähnlich ablaufen wie wir es von Entdeckungen im Alltag kennen: Letzte Woche habe ich beispielsweise entdeckt, dass es in meinem französischen Supermarkt deutsches Schwarzbrot zu kaufen gibt. Ich habe ein bisschen in der Brotabteilung gestöbert und dann lag es plötzlich zweifelsfrei vor mir. Ein aktueller Artikel in Science scheint nahezulegen, dass die aktuelle Gravitationswellenentdeckung ganz ähnlich abgelaufen ist. Derjenige, der das Signal als erster sah, ist demnach Marco Drago, laut Science ein leise-sprechender Postdoc, der gerne Klavier spielt und Fantasy Romane schreibt. Als er in Hannover grade mit einem Kollegen telefonierte, bekam er eine automatische Email, die ihn über das Signal informierte, das sich schließlich als erste Gravitationswellendetektion herausstellte. Das Signal scheint vor ihm aufgetaucht zu sein wie das Schwarzbrot im Brotregal, und es war klar: das ist, wonach gesucht wurde. Dass die Dinge im Detail aber oft sehr viel komplizierter sind, kann man nachverfolgen, wenn man die aktuelle Gravitationswellen-Entdeckung in ihrem historischen Kontext sieht. Die Entwicklung der Gravitationswellenphysik ist ein klassisches Fallbeispiel innerhalb der Soziologie des wissenschaftlichen Wissens, dem der Soziologe Harry Collins seit 1972 jahrzehntelange Feldforschung innerhalb der Gravitationswellen-Community gewidmet hat, und die er in seinen zwei Büchern “Gravity’s Shadow” und “Gravity’s Ghost” beschreibt.

Marco Drago sah das Gravitationswellensignal als erster am 14. September 2015.© Marco DragoMarco Drago sah das Gravitationswellensignal am 14. September 2015 als erster .

Der große Pionier der experimentellen Gravitationswellenforschung war der US-Amerikaner Joseph Weber an der Universität Maryland. Im Jahr 1961 veröffentlichte er ein Buch über Gravitationswellen, in dem er einen ersten Vorschlag machte, wie man diese extrem schwachen Signale experimentell nachweisen könnte. Die Idee dabei war, dass Gravitationswellen in großen Aluminium Metallzylindern Vibrationen anregen sollten. Um die von Gravitationswellen induzierten Vibrationen von aus anderen Gründen auftretenden Vibrationen unterscheiden zu können, stellte Weber zwei identische Metallzylinder her. Die Strategie war, nach Signalen zu suchen, die in jeweils beiden, mehrere tausend Kilometer voneinander entfernt  in Maryland und Illinois aufgestellten Zylindern gemessen würden. Dabei müsste der zeitliche Abstand der Signale genau der Zeit entsprechen, die eine Gravitationswelle zur Ausbreitung zwischen beiden Zylindern benötigen würde. Eine solche Abstimmung wäre dann ein Hinweis auf den gemeinsamen Ursprung der Signale in einer Gravitationswelle. Dennoch war offensichtlich, dass das Auffinden eines Signals im Rauschen der zufälligen Vibrationen äußerst raffinierte statistische Techniken erfordern würde. Obwohl das Experiment aufgrund seiner Störanfälligkeit und der extremen Schwäche der gesuchten Signale fast hoffnungslos erschien, ließen erste Erfolgsmeldungen von Weber nicht lange auf sich warten. Weber vermeldete allein 1969 siebzehn detektierte “Ereignisse” und setzte diese Serie in den 1970ern fort. Motiviert durch diese Meldungen wurden von anderen Forschergruppen ähnliche Experimente gebaut. Webers Ergebnisse konnten aber von keinem der anderen Experimente reproduziert werden.

War es eine Gravitationswelle? Eine der Veröffentlichungen einer "Vielleicht-Detektion" der Wissenschaftler aus Frascati.© http://arxiv.org/pdf/gr-qc/0210053v1.pdfWar es eine Gravitationswelle? Veröffentlichung einer „Vielleicht-Detektion“ der Wissenschaftler aus Frascati.

Mitte der 70er Jahre hatte der Pionier der experimentellen Gravitationswellenforschung seine Glaubwürdigkeit in der Community weitgehend verloren. Dabei spielte nicht nur die fehlende Reproduzierbarkeit seiner Ergebnisse eine Rolle. Webers hohe Detektionsraten widersprachen auch akzeptierten kosmologischen Theorien. Außerdem verschwanden Webers Signale in den Daten, sofern man einen alternativen Kalibrierungsalgorithmus verwendete. Darüber hinaus entdeckten Kollegen einen Fehler in einem von Weber zur Datenanalyse verwendeten Computerprogramm. Schließlich gab es noch ein Versehen Webers, das als “Vier Stunden Fehler” bekannt wurde: Weber behauptete ein übereinstimmendes Signal zwischen zwei Experimenten, machte aber einen Fehler bei der Berücksichtigung verschiedener Zeitzonen, so dass die Abstimmung der vermeintlichen Signale um vier Stunden falsch lag. Allgemein lag die Vermutung nahe, dass Weber seine Daten im Nachhinein bewusst oder unbewusst so manipulierte, dass die gewünschten Signale erschienen. Lediglich zwei Gruppen, eine aus Italien und eine aus Australien, blieben Weber treu und führten seine experimentelle Technik der Metallzylinderdetektoren fort. Insbesondere eine italienische Gruppe aus Frascati veröffentlichte bis in die frühen 2000er Jahre Papers, in denen sie mögliche Gravitationswellensignale in ihren Daten beschrieb.

Parallel hatte sich aber bereits eine neue, empfindlichere experimentelle Technologie entwickelt, die Gravitationswellen mithilfe von Interferometern, d.h. anhand der Überlagerung von Laserlicht, nachweisen sollte. In diesen erheblich kostspieligeren Experimenten würde sich der Einfluss einer Gravitationswelle darin äußern, dass sich die Überlagerung zweier Lichtstrahlen ändert, die unterschiedliche, rechtwinklig zueinander stehende Wegstrecken zurückgelegt haben. Diese Technologie ist diejenige, die von LIGO in seinem fünf Observatorien genutzt wird und nun dem direkten Nachweis der Gravitationswellen zugrunde liegt. LIGO wurde im Jahr 1992 von Kip Thorne, Ronald Drever (Caltech) und Rainer Weiss (MIT) gegründet und seitdem in Bezug auf seine Empfindlichkeit von iLIGO (initial LIGO) über eLIGO (enhanced LIGO) bis zum heutigen AdLIGO (Advanced LIGO) weiterentwickelt.

Eines der LIGO Interferometer in Hanford (Washington).© ReutersEines der LIGO Interferometer in Hanford (Washington).

Im Vergleich zu den frühen Metallzylinderdetektoren verspricht diese Technologie zwar sehr viel größere Zuverlässigkeit, trotzdem beruht auch hier die Extraktion eines möglichen Signals aus dem Rauschen von Störsignalen auf einer komplizierten statistischen Datenanalyse, die an vielen Stellen auf menschlichen Entscheidungen beruht. Das Auffinden eines Signals in den Daten ist entsprechend alles andere als ein reines “Lesen der Natur” wie der Soziologe Harry Collins in seinem Buch “Gravity’s Ghost” beschreibt:

“A detection, then, however it is dressed up, is not a self-contained “reading”. It is not Nature, reflected clean and pure on the still surface of science’s pool; there is no pool, only the fast flowing river of human activity on a restless Earth.”

 

Nachdem allzu menschliche Manipulationsaktivitäten den frühen Gravitationswellenexperimenten bereits zum Verhängnis geworden waren und das gesamte Feld der Gravitationswellenforschung in Misskredit gebracht hatten, war die natürliche Reaktion der LIGO Wissenschaftler, die Suche nach möglichen Gravitationswellen möglichst konservativen, auf Vorsicht ausgerichteten Strategien zu unterwerfen. Beispielsweise gilt nun die allgemeine Regel, dass die Prozedur der Datenanalyse nicht nachträglich verändert werden darf, sobald sie einmal auf die wissenschaftlichen Daten angewendet wurde. Diese Regel soll zu vermeiden helfen, dass die Datenanalyse (bewusst oder unbewusst) für zielgerichtete Manipulationen anfällig ist. Vorsicht in der Dateninterpretation ist ein hohes Gut innerhalb der Wissenschaft. Allerdings beinhaltet eine pessimistische Grundeinstellung auch die Gefahr, dass man es mit der Vorsicht übertreibt und aus Angst vor Falschmeldungen echte Signale übersieht. Harry Collins beschreibt in seinem Buch, wie die LIGO Wissenschaftler auf diese Gefahr reagieren, in dem sie gruppenintern “blind injection challenges” einführten. Während einer 18-monatigen Phase der Datenanalyse zwischen 2008 und 2009, d.h. noch während der Laufzeit von iLIGO, konnte Collins als Beobachter innerhalb des LIGO Konsortiums dabei einen authentischen Probelauf der Gravitationswellenentdeckung verfolgen.

Gravitationswellen entstehen durch den Einfluss bewegter Massen auf die Raumzeit.© ReutersGravitationswellen entstehen durch den Einfluss bewegter Massen auf die Raumzeit.

Die beschriebene blind injection challenge läuft folgendermaßen ab: zwei Wissenschaftler verstecken entweder kein, ein, zwei oder drei künstlich generierte Signale in den Daten, die Aufgabe des Teams ist es dann, diese Signale zu finden. Sofern im Rahmen der Datenanalyse also ein Signal entdeckt wird, ist zunächst nicht klar, ob es sich um ein Fake-Signal oder einen echten Gravitationswellenkandidaten handelt. Ob es sich bei gefundenen Signalen um injizierte oder echte Signale handelt, wird erst bekanntgegeben, wenn alle Abläufe bis zum finalen Entwurf der wissenschaftlichen Veröffentlichung so durchgeführt wurden, als würde es die Möglichkeit von Fake-Signalen nicht geben. Dieses Vorgehen hat offensichtlich Vor- und Nachteile. Gut ist, dass die Wissenschaftler motiviert werden, nach wirklichen Signalen zu suchen und dadurch eingeschätzt werden kann, ob die Suche nicht doch zu konservativ und “Entdeckungs-feindlich” durchgeführt wird. Außerdem wird im Fall einer Entdeckung Ruhe bewahrt, da bis zum Ende niemand außer den beiden Verantwortlichen weiß, ob das Signal echt ist. Eine mögliche Entdeckung kann so als Testfall durchgespielt werden. Gleichzeitig wird durch dieses Vorgehen aber Arbeitskraft “verschwendet”, die nicht für die eigentliche Entdeckung von Gravitationswellen im engeren Sinne eingesetzt wird. Auch auf die Motivation der Wissenschaftler kann dieses Verfahren einen negativen Einfluss haben: die mögliche Entdeckung wird “mit angezogener Handbremse” erlebt. Collins zitiert einen Wissenschaftler mit den Worten:

“All your enthusiasm gets sucked away… It’s messing with your head … in a complicated way.”

 

Die Datenanalyse wird innerhalb des LIGO Teams in vier verschiedenen Gruppen durchgeführt, die unabhängig voneinander nach verschiedenen Signaltypen suchen. Eine Gruppe sucht nach Signalen ineinander stürzender kosmischer Objekte, wie z.B. sich vereinigende schwarze Löcher oder Neutronensterne. Wie solche Signale auszusehen haben, kann auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie berechnet werden. Für hunderttausende verschiedene Szenarien solcher kosmischer Ereignisse wurden die zu erwartenden Signale berechnet, so dass die Daten gezielt auf diese Signalmuster hin durchsucht und gefiltert werden können. Eine andere Gruppe sucht nach allgemeinen, kurzen “Burst” Signalen, die aus dem Rauschen hinaus stechen, ohne dass deren konkrete Form vorgegeben ist. Weitere Analysegruppen suchen regelmäßige Gravitationswellenpulse, die von Pulsaren ausgesendet werden sollen und nach Gravitationswellen, die vom Urknall stammen.

Eine der Gruppen innerhalb von LIGO sucht nach Signaturen kosmischer Kollisionen.© dpaEine der Gruppen innerhalb von LIGO sucht nach Signaturen kosmischer Kollisionen.

Im von Collins beschriebenen Zeitraum war es die “Burst-Group”, die einen Gravitationswellenkandidaten entdeckte, das “Equinox Ereignis” vom 21./22. September 2007. Dieses Ereignis konnte zwar von der “Inspiral Group” nicht eindeutig bestätigt werden, erfüllte aber alle Kriterien der Burst Gruppe an eine echte Detektion. Collins beschreibt in seinem Buch in soziologischer Detailgenauigkeit die Diskussionen um die Einordnung des “Equinox Ereignisses”, das weder als glasklare Detektion, noch eindeutig als Rauschen erschien. Statistische Argumente sprachen zwar eher für die Echtheit des Signals, gleichzeitig hatte das Signal aber in einem Zeitraum stattgefunden, in dem es eine Häufung von Spannungsspitzen gegeben hatte, was dafür zu sprechen schien, dass das Signal als Artefakt einzuschätzen war. Wohl auch vor dem Hintergrund der Geschichte von uneindeutigen Detektionsmeldungen entschieden sich die Wissenschaftler schließlich nach 18-monatiger Analyse, das Equinox Ereignis nicht als Signal einer Gravitationswelle einzuordnen, bevor am 19. März 2009 das Ergebnis der “blind injection challenge” bekannt gegeben wurde. In die Daten waren zwei Fake-Signale eingespeist worden. Eines davon war das Equinox Ereignis gewesen. Hier hatten die Wissenschaftler also in ihrer Einschätzung falsch gelegen, dass es sich um Rauschen gehandelt haben müsse. Das zweite Signal hatte die Signatur des Zusammensturzes zweier massiver kosmischer Objekte und war in der Analyse übersehen worden, da es sich in einem Teil von Daten schlechterer Qualität befand, die vorerst beiseite gelegt worden waren.

Collins beschreibt, dass einige der Wissenschaftler sich nach der Bekanntgabe der Challenge äußerst verärgert zeigten. Einen hochrangigen Forscher zitiert er mit den Worten:

“I think more than anything else it shows that we haven’t as a community really gotten beyond, I think, an unreasonable fear of being wrong about a first detection.”

 

Auf der anderen Seite gab es aber auch Stimmen, die daran festhielten, dass die erste offizielle Detektion einer Gravitationswelle sich auf ein eindeutiges Signal beziehen solle, das Zweifel gar nicht erst zulassen solle. Hier schließt sich der Kreis zu einer Diskussion, die aktuell in den letzten Jahren angesichts der Falschmeldungen der Opera (überlichtschnelle Neutrinos) und Bicep2 (B-Moden in der kosmischen Hintergrundstrahlung) Experimente geführt wurde: Sollten Wissenschaftler mit spektakulären Ergebnissen erst an die Öffentlichkeit gehen, wenn es praktisch keinen Zweifel mehr an der Interpretation der Daten geben kann (und wenn ja, wann ist das)? Oder sollte man die Wissenschaft eher als etwas offenes, im Fluss Befindliches verstehen, innerhalb dessen auch uneindeutige Ergebnisse zur öffentlichen Diskussion freigegeben werden können und sollen?

Die Signale, mit denen zum ersten Mal und ohne jeden Zweifel eine Gravitationswelle detektiert wurde.© dpaDie Signale, mit denen zum ersten Mal ohne jeden Zweifel eine Gravitationswelle detektiert wurde.

Harry Collins drückt in seinem Buch eine Präferenz für letztere Option aus. Gleichzeitig äußert er als Soziologe die Hoffnung, dass die Entdeckung der Gravitationswellen eben nicht eine glasklare Bilderbuch-Entdeckung sein würde, da grade die unklaren Fällen diejenigen sind, in denen wissenschaftliche Praktiken, Vorgehensweisen und Überzeugungen auf die Probe gestellt und deutlich gemacht werden:

“From a sociological viewpoint, it would be a pity if the interferometers had the stroke of scientific luck that would suddenly put an end to the debates and uncertainties that have lasted for nearly fifty years. There is more to be learned sociologically from the dilemmas surrounding marginal events and from a gradual phase-transition from nonbelief to belief than from dramatic discoveries.”

 

Den Gefallen einer Entdeckung basierend auf einem nur schwach detektierten Ereignis  hat das LIGO Konsortium Collins vergangene Woche nicht getan. Die Signalstärke von 5.1 Sigma, die fast perfekte Übereinstimmung des Signals mit den Modell-Vorhersagen der Kollision zweier schwarzer Löcher, die Detektion des Signals sowohl durch die Burst wie auch die Infall Gruppe – eindeutiger hätte der erste Nachweis von Gravitationswellen kaum sein können. Das Signal war so klar, dass Marco Drago, der Hannoveraner Postdoc, zunächst überzeugt war, dass es sich um ein Fake-Signal handeln müsse. Die vermeintliche Furcht vor der Erstentdeckung wurde somit spektakulär durch zwei kollidierende schwarze Löcher abgeschüttelt. Nun kann sich das neue Feld der Gravitationswellen-Astronomie etablieren. Und das wird mit Sicherheit auch für Soziologen wieder ein ganzes Spektrum neuer, spannender Themen bieten.

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5 Lesermeinungen

  1. Wissenschaftstheorie
    herzlichen Dank für diese sehr gute Ergänzung zu den übrigen „technischen“ Artikeln!
    „Im Prinzip“ tendiere ich ebenfalls zur zweiten, offenen Variante der Veröffentlichung wissenschaftlicher Ergebnisse und einige sehr renommierte Zeitschriften tun dies auch, z.B. „Nature“. Es ist dabei jedoch zu bedenken, daß die Wissenschaft heute mehr denn je nach außen gerichtet und auch von äußeren Einflüssen abhängt. Dabei kann es um Fördermittel für ein konkretes Forschungsvorhaben gehen oder auch um generelle politische Entscheidungen. Gerade in der Grundlagenforschung hört man ja immer wieder die Frage: „wofür ist das nützlich?“.
    Die Wissenschaft selbst ist natürlich daran gewöhnt, Theorien immer als vorläufig anzusehen und auch damit leben zu können, daß es konkurrierende oder gar gleichzeitig gültige, sich aber widersprechende Erklärungen gibt. In der Öffentlichkeit ist jedoch praktisch nicht bekannt, auf welche Weise wissenschaftliche Erklärungen entstehen und geprüft werden. Dort kommen immer nur fertige Gebilde an, die dann z.B. in Schule (und oft auch Uni) ohne drumherum auswendig gelernt werden. Bei historischen Entdeckungen bleibt so nur derjenige übrig, der aus heutiger Sicht „Recht gehabt“ hat und die anderen erscheinen dann gelegentlich als ignorante/böse Widersacher. Das klassische Beispiel hierzu ist natürlich die Etablierung der heutigen Weltsicht durch Kopernikus und Galilei, wo die katholische Kirche die Rolle des Bösen bekommen hat.
    Vielleicht könnte man Beiträge dazu wie hier geschehen häufiger im Kontext von interessanten Resultaten plazieren?

  2. na ja, so viel hat sich nicht geändert
    z.B. dass auch hier die Interpretation der Daten v.a. vom Wunsch der beteiligten Forscher, die Wellen in der „Raumzeit“ suchen, bestimmt wird. Dass die Raumzeit geschwankt hat, also ein Arm des Ligo’s für einen Moment etwas kürzer wurde, ist immer noch eine recht gewagte Hypothese. Viel näher liegt doch die Erklärung mit Wellen im guten alten „Ether“. Empfehle allen Lesern, nach den Experimenten von Michelson und Morley zu googeln.

    • Ergaenzung
      Ligo ist im Prinzip eine Wiederholung des Experimentes von Michelson und Morley. Damals versuchte man, den „Ether-Wind“ zu messen, der sozusagen entsteht, wenn die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne durchs Weltall rast. Zwar konnte man etwas messen – der gemessene Wert war nicht = 0, dieser Wert war aber viel klein.
      Schlussfolgerung war damals: es gibt keinen Ether. Und diese Schlussfolgerung wurde zur Prämisse der speziellen Relativitätstheorie.

      Nun kann man mit Ligo wieder etwas messen und interpretiert es mit bezug auf die spezielle Relativitätstheorie als „Krümmung des Raumes“.

      Na ja, vielleicht war aber die Schlussfolgerung nach dem Michelson-Morley-Experiment falsch (- wobei die Messungen wohl korrekt waren)?

      Vielleicht ist der „Ether-Wind“ aus einem ganz einfachen Grund so viel kleiner als angenommen? Wer kommt drauf?

  3. Hat nicht Einstein...
    auch etwas zum Entdeckerdilemma gesagt?

    Es gibt keine großen Entdeckungen und Fortschritte, solange es noch ein unglückliches Kind auf Erden gibt.
    Albert Einstein
    und
    Eine neue Art von Denken ist notwendig, wenn die Menschheit weiterleben will.
    Albert Einstein…vielleicht „passend“ aktuell als „Erlebenbeweis“
    dazu?

    • 2 Wahrheiten können sich nicht widersprechen?
      Die beiden obigen Einsteinzitate?

      Es gibt „meßbare Entdeckerbeweise“ UND
      „rein erlebbare Entdeckerbeweise“…“Geist(wirkung)beweise“?…
      auch „halb“ Einstein…die von ihm nicht erwartete (Grav.-wellen) Meßbarkeit…und mein „halb(er)“ Zusatz „Erlebenbeweis“ von
      „Geistgravitationen“…
      (Anziehungen…Schwerkräfte…Liebe…Emotionen…Intelligenzen…
      Gedanken…Wirkungen…Transporte..Wege…Transformationen…
      (von)interne bis externe…(von) externe bis interne…Geistdialog(i)e)?

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