Noch ist es nur ein Plan, doch schon bald könnte ein neues Teleskop Gravitationswellen messen. Gravitationswellen sind so etwas wie die Schallwellen des Universums. Sie entstehen zum Beispiel, wenn schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren.
Der künftige Gravitationswellendetektor, das Einstein-Teleskop, soll neueste Lasertechnologie nutzen, um diese Wellen und damit unser Universum besser zu verstehen. Ein möglicher Standort für den Bau dieses Teleskops ist das Dreiländereck Deutschland, Belgien und Niederlande.
Wie das Universum Gold macht
Der Sommer 2017 war für Astronomen ein überaus spannender Tag: Am 17. August registrierten drei Gravitationswellendetektoren ein neues Signal. Hunderte Teleskope weltweit richteten sich umgehend auf den vermuteten Ursprungsort und tatsächlich wurde dort ein leuchtender Himmelskörper gesichtet. Erstmals wurde die Kollision zweier Neutronensterne sowohl optisch als auch als Gravitationswelle nachgewiesen.
Neutronensterne sind etwas ganz Besonderes im Universum: Sie sind ausgebrannte Sterne, die keine sichtbare Strahlung mehr aussenden. Sie wiegen zwar etwas mehr als unsere Sonne, quetschen ihre Masse aber in eine Kugel von weniger als 20 km Durchmesser. Die Wucht ihrer Kollision ist so groß, dass Atomkerne auseinandergerissen, gigantische Mengen an Masse herausgeschleudert und schwere Atome wie Gold entstehen können.
„Im Vergleich zur Masse der Neutronensterne entsteht dabei nicht viel Gold, sondern nur einige Mondmassen“, erklärt Professor Achim Stahl, Astrophysiker an der RWTH Aachen, schmunzelnd.
„Aber Forscher sind sich ziemlich sicher, dass der größte Teil des Goldes im Universum bei solch gigantischen Explosionen entstanden ist.“ Der goldene Ring, den wir heute an unserem Finger tragen, hat also bereits galaktische Geschichte erlebt.
Gravitationswellendetektoren öffnen ein neues Kapitel in der Astronomie
Dank Gravitationswellendetektoren wissen wir bereits mehr über die Kollisionen von Neutronensternen. Für galaktische Verhältnisse sind das sehr schnelle Prozesse. In der Vergangenheit konnten wir mit viel Glück Gammastrahlenausbrüche registrieren, die weniger als eine Sekunde dauerten. Bei Kollisionen von Schwarzen Löchern ist das mit heutigen Gravitationswellendetektoren messbare Signal sehr kurz.
Das Signal der ersten Gravitationswelle, die 2015 gemessen wurde, war nur etwas über 0,2 Sekunden lang. Solche Wellen entstehen, wenn im Universum ultraschwere Objekte umeinander kreisen und dann kollidieren.
Das im Sommer 2017 registrierte Signal war 100 Sekunden lang, sodass sofort klar war, dass es sich um etwas Neues handeln musste. Kurz nachdem das Gravitationssignal aufhörte, wurde der Gammablitz registriert; später beobachtete man das Nachglühen der Explosion in verschiedenen Wellenlängenbereichen und konnte Spuren schwerer Elemente wie Gold und Platin nachweisen.
Das Ereignis wurde als Kollision zweier Neutronensterne identifiziert. Die gleichzeitige Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischen Signalen öffnete ein neues Kapitel in der beobachtenden Astronomie. „Tatsächlich war das optische Signal ausschlaggebend für die Entdeckung des Sterns am Himmel“, erklärt Astrophysiker Stahl.
Unsere „Ohren“ zum Universum
Über Jahrhunderte beschränkte sich die Astronomie auf die Beobachtung sichtbarer Strahlung. Mit dem besseren Verständnis des elektromagnetischen Spektrums kamen viele neue Beobachtungsmethoden hinzu, die Astronomen entdeckten Radiowellen und erweiterten das Wissen der Menschheit durch Berechnungen und Simulationen erheblich.
Als Albert Einstein vor gut hundert Jahren seine Allgemeine Relativitätstheorie postulierte, kam er auch auf die Idee, dass es Wellen geben könnte, die nichts mit dem elektromagnetischen Spektrum zu tun haben. Ähnlich einer Schallwelle sollten sie einen weit entfernten Prüfling ein wenig zum „Schwanken“ bringen.
Große beschleunigte Massen sollten solche Wellen durchs All schicken. Auf der Erde ist die von Gravitationswellen verursachte Taumelbewegung allerdings so schwach, dass die Bewegung viel kleiner ist als der Durchmesser eines Atoms. Trotzdem ist es nun möglich geworden, Gravitationswellen zu messen. Für die Astronomen ist dies eine neue Ära.
Möglich machen dies sogenannte Laserinterferometer. Sie bestehen aus zwei Armen, an deren Enden sich Spiegel befinden. Ein Laserstrahl tritt in das Interferometer ein und wird in der Mitte an einem Strahlteiler aufgespalten.
Er wandert zu den Endspiegeln in den beiden Armen und wieder zurück zum Strahlteiler. Ändert sich die Position des Spiegels am Ende eines Arms, ändert sich die Laufzeit des entsprechenden Laserstrahls um einen winzigen Betrag. Dieser Betrag lässt sich messen, indem man den Laserstrahl des betroffenen Spiegels mit einem Laserstrahl aus dem anderen Interferometerarm vergleicht, bei dem der Spiegel nicht bewegt wurde.
Die Präzision dieser Messung in den aktuellen Gravitationswellendetektoren erstaunt selbst Physiker immer wieder: „Wir messen bis auf weniger als ein zweitausendstel eines Protonendurchmessers genau“, erklärt Professor Stahl.
„Es ist ironisch, dass wir eine Präzision auf der Skala der kleinsten uns bekannten Teilchen brauchen, um die größten Ereignisse im Universum, die Verschmelzung Schwarzer Löcher, zu erkennen“, fügt er hinzu.
Erste Versuche, Gravitationswellen zu messen, gab es bereits in den 1960er-Jahren. Doch erst die aktuelle zweite Generation von Lasermessgeräten erreicht diese extreme Genauigkeit und konnte mittlerweile rund 100 Kollisionen von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen nachweisen.
Das Einstein-Teleskop
Professor Stahl ist Mitglied der deutschen Einstein-Teleskop-Gemeinschaft und arbeitet derzeit an der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren. Messgeräte dieser dritten Generation sollen zehnmal empfindlicher sein als die derzeit im Einsatz befindlichen. Das geplante Gravitationswellenobservatorium wird nach dem Begründer der Allgemeinen Relativitätstheorie „Einstein-Teleskop“ getauft.
„Wir wollen damit einen tausendmal größeren Bereich untersuchen, als das, was heute im Universum für Gravitationswellen möglich ist. Und wir sollten dann deutlich mehr Quellen finden, für die die aktuellen Instrumente nicht empfindlich genug sind“, erklärt der Astrophysiker. Das gelte auch für schwerere Objekte, die Gravitationswellen bei niedrigeren Frequenzen aussenden.
Das Einstein-Teleskop wird aus drei ineinander verschachtelten Detektoren bestehen. Jeder dieser Detektoren wird über zwei Laserinterferometer mit 10 km langen Armen verfügen. Um möglichst viele Störungen abzuschirmen, soll das Observatorium 250 m unter der Erde gebaut werden.
Doch die Wissenschaftler denken bereits viel weiter. „Das Einstein-Teleskop wird mit einer neuen, innovativen Generation von Observatorien im elektromagnetischen Spektrum von Radio- bis Gammastrahlen zusammenarbeiten. Wir nennen das Multi-Messenger-Astronomie“, beschreibt Professor Stahl die Vision.
„Neben den ‚Ohren‘ für die Gravitationswellen werden wir auch ‚Augen‘ haben, die ganz andere Signale empfangen. Gemeinsam ermöglichen sie eine Live-Übertragung kosmischer Ereignisse, wie sie noch nie jemand gesehen hat.“
Bisher konnte man den Himmel wahllos beobachten und auf einen kurzen Blitz hoffen. Künftig sollen die Gravitationswellendetektoren im Dauerbetrieb laufen und „lauschen“, wenn ein Signal auftaucht. Fangen mehrere solcher Detektoren das Signal auf, lässt sich seine Ursprungsregion berechnen und andere optische Teleskope darauf ausrichten. Wie bei der Neutronensternkollision im Sommer 2017 wären dann mehrere systematische Messungen möglich.
Wissenschaftler erhoffen sich davon viele neue Erkenntnisse, etwa über das frühe Universum oder über Kollisionen, bei denen alle Elemente schwerer als Eisen entstanden.
Detektoren in Europa und der ganzen Welt
Solche komplexen Messungen erfordern eine globale Zusammenarbeit. Daher wird in den USA auch ein Konzeptentwurf für einen Detektor der dritten Generation entwickelt.
Der „Cosmic Explorer“ soll zusammen mit dem Einstein-Teleskop ein globales Detektornetzwerk bilden. 2021 haben die Europäer das Einstein-Teleskop in die Roadmap des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen (ESFRI) aufgenommen. ESFRI wurde 2002 gegründet, um es nationalen Regierungen, der Wissenschaft und der Europäischen Kommission zu ermöglichen, gemeinsam ein Konzept für Forschungsinfrastrukturen in Europa zu entwickeln und zu unterstützen.
Mit der Aufnahme in die ESFRI-Roadmap ist das Einstein-Teleskop in die Vorbereitungsphase eingetreten. Das Budget wird auf 1,8 Milliarden Euro geschätzt. Der Betrieb dürfte rund 40 Millionen Euro pro Jahr kosten. Der Bau soll 2026 beginnen, die Beobachtungen sollen 2035 starten.
Derzeit laufen Studien zur Standortauswahl. Eine Entscheidung wird im Jahr 2024 erwartet. Derzeit werden zwei mögliche Standorte untersucht: einer auf Sardinien und einer in der Euregio Maas-Rhein im Dreiländereck Deutschland, Belgien und Niederlande. Bei der Bewertung der Standorte müssen die Forschungspartner nicht nur die Machbarkeit des Baus berücksichtigen, sondern auch abschätzen, inwieweit die Umgebung vor Ort die Empfindlichkeit und den Betrieb des Detektors beeinflusst.
Das Projekt verspricht für die betroffene Region eine Reihe von Vorteilen: Ein Großteil der Kosten von 1,8 Milliarden wird für Baumaßnahmen verwendet. Dreimal zehn Kilometer Tunnel und zwölfmal zehn Kilometer Vakuumleitungen sind nötig, um nur zwei Beispiele zu nennen. Zahlreiche Unternehmen sind bereits an dem Projekt beteiligt.
An den eigentlichen Messeinrichtungen arbeitet bereits ein großes Team an verschiedenen Standorten. Dazu gehört neben der RWTH Aachen auch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen. Dort werden derzeit neue Laser entwickelt, ohne die die neuen Messungen nicht möglich wären.
„Was wir hier für einen möglichen Einsatz im Einstein-Teleskop entwickeln, ist in seiner Konstruktion einzigartig und ausschließlich für die Messung von Gravitationswellen vorgesehen“, bestätigt Projektleiter Patrick Baer vom Fraunhofer ILT, der in der Einstein-Teleskop-Community als Forschungsbereichsleiter Forschungsgruppen aus den Fraunhofer-Instituten für Lasertechnik ILT und für Produktionstechnologie IPT sowie den Lehrstühlen für Lasertechnik LLT und für Technologie Optischer Systeme der RWTH Aachen vertritt.
„In vereinfachter Form könnte die für diesen Anwendungsbereich entwickelte Lasertechnologie allerdings auch für andere Anwendungen interessant sein, etwa in der Quantentechnologie. Aber auch für die Entwicklung von Lasern in der Medizintechnik können die gewonnenen Erkenntnisse hilfreich sein: Die Wellenlänge von 2 µm eignet sich etwa zum Zertrümmern von Nieren- und Blasensteinen.“
Denn genau das ist es, was das Fraunhofer ILT seit seiner Gründung ausmacht: High-End-Laser aus der Forschung fit für die industrielle Anwendung zu machen.
Noch ist die Finanzierung nicht ganz gesichert. Professor Stahl rechnet mit einer endgültigen Entscheidung in den nächsten zwei Jahren. Zunächst werden die Planer mit ihrer Arbeit beginnen, dann die Tunnelbauer und schließlich die Laserphysiker. „Ich schätze, dass wir im Jahr 2035 erste Messungen durchführen können.“
Was einen Forscher wie Achim Stahl daran fasziniert? „Mit Gravitationswellen können wir viel weiter ins Universum blicken als mit normalen Teleskopen“, erklärt der Astrophysiker.
„Weiter ins Universum zu blicken, heißt in der Astrophysik vor allem: in die Vergangenheit zu blicken. Mit dem Einstein-Teleskop werden wir Signale aus der Zeit empfangen, als die Galaxien und die ersten Sterne entstanden. Das reicht weiter zurück, als es mit optischen Mitteln möglich ist. Und wir werden kosmische Explosionen live mit den Gravitationswellen hören, bevor wir sie sehen.“
Die empfindlicheren Detektoren des Einstein-Teleskops werden die Signale früher „hören“ und den anderen Teleskopen mehr Zeit geben, sich auszurichten. Bisher war es eher ein glücklicher Zufall, ein solches Ereignis zu beobachten. Nun sind erstmals systematische Messungen möglich. Es brechen spannende Zeiten an – nicht nur für Astrophysiker.
Zur Verfügung gestellt vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT