Gravitationswellen: Der Traum vom Einstein-Teleskop – Spektrum.de

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Messbeginn in den 2030er Jahren

Für den Bau des Einstein-Teleskops veranschlagen die Forscher rund 1,9 Milliarden Euro – es wäre damit deutlich billiger als ein 100-Kilometer-Teilchenbeschleuniger, der mehr als zehnmal so viel kosten soll. Beginnen könnten die Arbeiten für den neuen Gravitationswellendetektor bereits Ende des Jahrzehnts, hoffen Lück und seine Kollegen. In den 2030er Jahren wäre die Anlage dann einsatzbereit.

»Eigentlich handelt es sich um eine Infrastruktur, die immer wieder um neue Technologien ergänzt wird und 50 Jahre in Betrieb sein soll«, sagt Stefan Hild von der Universität Maastricht. Unter Hilds Leitung lotet ein Team derzeit aus, welche Erstausstattung die riesige Anlage haben sollte. In einer Lagerhalle auf dem Gelände einer alten Maastrichter Druckerei entsteht derzeit ein stark verkleinerter Prototyp, genannt »ETpathfinder«, mit 20 Metern Armlänge. »Das ist zu kurz, um Gravitationswellen zu messen«, sagt Hild. »Vielmehr wollen wir verschiedene Technologien erproben, die dem ET die gewünschte Sensitivität verleihen.«

ET-PathfinderLaden…

© Nikhef, Amsterdam (Ausschnitt)

ET-Pathfinder | Mit einer Miniaturversion des Einstein-Teleskops wollen Forscher in den kommenden Jahren Technologien für den Gravitationswellen-Detektor der Zukunft entwickeln.

Welch extreme Größen zu beherrschen sind, rechnet der Physiker an einem Beispiel vor: »Um eine Gravitationswelle zu messen, müssen wir eine relative Längenänderung um 10-23 erfassen«, sagt er. »Zum Vergleich: Fällt ein Regentropfen in das Ijsselmeer (der größte See der Niederlande, Anm. d. Red.): , steigt dessen Pegel rechnerisch um 10-19 Meter, beim Bodensee, der halb so groß ist, sind es 2 mal 10-19 Meter.«

Die Zahlen verdeutlichen, wie jedwede Vibration auf der Erde die Jagd nach Gravitationswellen zunichte machen kann. Schließlich verschieben solche Erschütterungen die Spiegel des Interferometers und verändern damit die Laufzeit des Lichts ein klein wenig. Genau wie eine Gravitationswelle, die den Raum zwischen den Spiegeln minimal staucht.

Für die Forscher ist sogar die Brownsche Bewegung der Atome ein Problem. Um die wärmebedingte Zappelei auf der Spiegeloberfläche zu bremsen, wollen die Wissenschaftler einige der Reflektoren auf bis zu minus 263 Grad Celsius herunterkühlen. »Bei diesen Temperaturen verschlechtert sich allerdings die mechanische Güte des synthetischen Glases, das bislang verwendet wird, das Rauschen nimmt zu«, sagt Hild. Er und sein Team wollen dem mit einem starreren Silizium-Einkristall begegnen. Dieser ist allerdings nicht transparent für die Wellenlänge gängiger Nahinfrarot-Laser, weshalb die Forscher auf Faserlaser mit etwas größerer Wellenlänge setzen.

Eine andere Störquelle ist das so genannte Quantenrauschen. Grob vereinfacht versteht man darunter den Impulsübertrag der Lichtteilchen auf die Spiegel, der letztere minimal in Bewegung setzt. Um die Auslenkung zu verringern, sollen beim ET 200 statt 40 Kilogramm schwere Spiegel zum Einsatz kommen. Daneben wollen die Forscher die Aufhängungen verbessern.

Auch wenn es in Maastricht »nur« um Technologietests geht, kann das ETpathfinder-Team Störungen nicht gebrauchen. »Wenn der Wind gegen die Hallenwand drückt, bewegt sich auch der Fußboden minimal«, sagt Hild. Deshalb haben die Forscher diesen kurzerhand ausgetauscht. Der neue Boden ruht auf 169 Pfeilern und ist damit vom Rest des Gebäudes entkoppelt. Aktuell lässt die Gruppe noch einen extrem sterilen Reinraum bauen, ab Frühjahr 2021 sollen dann die Tests beginnen.

Suche nach dem besten Standort

An welchem Standort das ausgewachsene Einstein-Teleskop am Ende Gravitationswellen jagen wird, ist derweil noch unklar. Sicher ist, dass es in den Untergrund kommt. Einerseits, weil es unwahrscheinlich ist, in Europa ein gut zugängliches Gebiet zu finden, in dem Platz für einen dreieckigen Detektor mit je zehn Kilometer langen Seiten ist. Zum anderen, weil die seismischen Störungen von Siedlungen, Industrie und Verkehr in der Tiefe geringer sind. Nach geologischen und sozio-ökonomischen Untersuchungen tendieren die Planer derzeit zu Sardinien oder der erwähnten Euregio Maas-Rhein rund um die Grenzregion von den Niederlanden, Belgien und Deutschland.

Letzteres wäre für viele deutsche Physiker eine späte Genugtuung. Denn wären die Dinge anders gelaufen, wäre die erste Gravitationswelle womöglich nicht in den USA, sondern in Deutschland entdeckt worden. Schließlich waren es unter anderem deutsche Forscher, die in den 1970er Jahren den Grundstein für den späteren Nachweis solch eines Raumzeitbebens legten.

Zunächst in München, später in Garching loteten sie die Leistungsfähigkeit möglicher Detektoren für Gravitationswellen aus, erzählt Walter Winkler, der damals als wissenschaftlicher Mitarbeiter Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching dabei war. 1987 schrieb die Gruppe dem damaligen Bundesforschungsminister Heinz Riesenhuber sogar einen Brief und schlug darin den Bau eines Laserinteferometers vor. Drei Arme sollte das Gerät haben, je drei Kilometer lang. 1989 erneuerten die Physiker laut Winkler ihren Vorschlag, diesmal gemeinsam mit britischen Kollegen.

Laser-Dreieck LISALaden…

Laser-Dreieck LISA | Mit einem gigantischen Laser-Dreieck im All wollen Wissenschaftler eine ganz neue Form von Gravitationswellen nachweisen. Die technologischen Herausforderungen bei diesem Weltraumprojekt sind enorm. Doch die Vorbereitungsmission LISA Pathfinder war 2016/17 sehr erfolgreich.

»Aber wir haben nicht einmal eine Antwort aus dem Ministerium erhalten«, erzählt der Forscher. Gewiss, die 300 Millionen D-Mark, um die es ging, stellten eine beträchtliche Investition dar. Auch war das Projekt zu dieser Zeit ein Wagnis, »mehr Hoffnung als Wissen«, wie Winkler einräumt. Trotzdem hängt es ihm und anderen deutschen Physikern bis heute nach, dass es damals nicht geklappt hat mit einem großen deutschen Gravitationswellendetektor.

In den USA hingegen ließ sich die National Science Foundation in den 1990er Jahren auf dieses Wagnis ein – und wurde drei Jahrzehnte später mit dem Nachweis der ersten Gravitationswelle belohnt, für den es auch prompt einen Nobelpreis gab.

Eine Frage des Untergrunds

»Big Science« hat eben immer auch eine politische Dimension. Und so ist es auch heute keinesfalls ausgemacht, dass das Einstein-Teleskop in der Region Aachen-Limburg-Maastricht entstehen wird, ebenso wenig wie auf Sardinien. »Wir haben gerade einen Antrag eingereicht, um das Projekt auf die ESFRI-Roadmap für wichtige europäische Forschungsinfrastrukturen zu bringen«, sagt Lück. Dabei sei die Unterstützung einzelner Staaten nötig, unter anderem Deutschland. Hier tauche das ET aber bisher nicht in den Forschungsplänen der Bundesregierung auf.

Eine Entscheidung über den Standort erwarten die Forscher innerhalb der nächsten fünf Jahre. Am Ende dürften viele Kriterien eine Rolle spielen. Etwa die lokale Seismik und die geologische Beschaffenheit des Untergrundes, die die Kosten für den unterirdischen Bau bestimmt. Doch auch sozio-ökonomische Faktoren wie der wirtschaftliche Einfluss auf die Region und die beteiligten Länder spielen eine Rolle – sowie selbstverständlich die politischen Interessen und finanziellen Möglichkeiten der Länder, die in Frage kommen.

Außerdem müssen die ET-Verfechter darlegen, warum ihre Anlage ebenso nötig ist wie andere Projekte. So planen Wissenschaftler nicht nur das Satellitenobservatorium LISA, sondern auch einen erdgebundenen Detektor namens »Cosmic Explorer«. Er ist gewissermaßen die US-amerikanische Vision für die Zukunft der Gravitationswellensuche. Mit zwei 40 Kilometer langen, oberirdischen Armen wäre er ähnlich ambitioniert wie das Einstein-Teleskop.

Simulation von Gravitationswellenereignis GW 190425Laden…

© Numerisch-relativistische Simulation: T. Dietrich (Nikhef), W. Tichy (Florida Atlantic University) und die CoRe-collaboration; Wissenschaftliche Visualisierung: T. Dietrich (Nikhef),
S. Ossokine, A. Buonanno (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) (Ausschnitt)

Simulation von Gravitationswellenereignis GW 190425

»Unser Detektor wird technologisch fortschrittlicher sein«, sagt Alessandra Buonanno vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam mit Blick auf das ET. »Insbesondere im Bereich niederfrequenter Gravitationswellen wird er viel genauer beobachten können und damit tiefer in das »Dunkle Zeitalter« des Universums blicken.« Im Idealfall würden beide Geräte gebaut, und noch einen drittes woanders auf der Erde. »Dies ist erforderlich, um eine Quelle am Himmel sehr genau zu lokalisieren«, sagt Buonanno. In diesem Fall könne man nämlich rasch Radioteleskope und optische Observatorien darauf ausrichten, mit denen sich das Geschehen mitunter besser dokumentieren und verstehen lässt.

Das Weltraumprojekt LISA hingegen beobachtet in einem anderen Frequenzbereich von etwas weniger als einem bis etwa 100 Millihertz und ist damit für andere Quellen empfänglich, sagt Harald Lück. »Es wird beispielsweise Verschmelzungen von supermassereichen Schwarzen Löchern nachweisen können, wie es sie meistens in den Zentren von Galaxien gibt.« Da die Prozesse, die erdgebundene Detektoren der nächsten Generation und LISA beobachten, so unterschiedlich sind, ergänzen sie sich aus Sicht der Forscher.

»Eine kleine Gruppe von Quellen allerdings wird man zunächst mit LISA beobachten können und später mit erdgebundenen Detektoren«, sagt Lück. Ein Beispiel hierfür sei das erste Gravitationswellenereignis GW150914, das LIGO vor genau fünf Jahren ausschlagen ließ. »Das hätte man etwa zehn Jahre zuvor mit LISA sehen können, wenn die Mission damals schon im Weltall gewesen wäre.« Statt einem großen Knall hätten die Gravitationswellen in diesem Fall bereits die Todesspirale gezeigt, auf der sich die beiden Objekte immer näher kamen – für Gravitationswellenforscher ist sie fast ebenso spannend wie der große Knall am Schluss. Für sie ist damit klar: Sie brauchen beide Detektortypen, am Himmel und in der Erde.