Neue Ära der Gravitationswellen in der Schweiz
Die Schweiz festigt ihre Rolle als führende Kraft in der Gravitationswellenforschung weiter. Im Jahr 2026 wurde diese Position durch die Ernennung von Michele Maggiore, Professor an der Universität Genf, zum Sprecher des Einstein-Teleskops gestärkt. Dieser Gravitationswellendetektor der nächsten Generation tritt nun in die entscheidende Phase von Planung und Genehmigung ein. Mit dem neu bewilligten Förderbeitrag «SWISS-ET Grand Projet» sind Schweizer Forschende bereit, eine zentrale Rolle bei der Verwirklichung des Einstein-Teleskops zu übernehmen.
Gravitationswellen wurden vor mehr als einem Jahrhundert von Einstein vorhergesagt. Nachgewiesen wurden sie jedoch erst vor Kurzem: im Jahr 2015 durch die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Wenn massereiche Objekte miteinander verschmelzen, erzeugen sie Verzerrungen von Raum und Zeit, die sich wie Wellen durch das Universum ausbreiten – ähnlich wie die Wellen auf einer Wasseroberfläche, nachdem ein Stein hineingeworfen wurde. Diese Verzerrungen werden als Gravitationswellen bezeichnet. Auf der Erde weisen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sie nach, indem sie winzige Veränderungen der Weglänge eines Laserstrahls messen. Dafür nutzen sie ein Verfahren, das Laserinterferometrie genannt wird.
Nachdem die Existenz von Gravitationswellen nun bestätigt wurde, möchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sie genauer erforschen – und durch sie mehr über das Universum erfahren. Die ersten Detektoren, LIGO und Virgo, haben dieses Forschungsfeld begründet. Sie können jedoch nur einen winzigen Bruchteil der Signale erfassen: Ihre Empfindlichkeit reicht lediglich für die energiereichsten Signale aus dem nahen Universum aus. Deshalb arbeiten Forschende nun am Einstein-Teleskop. Sein Ziel ist es, die Empfindlichkeit der Messungen stark zu erhöhen und gleichzeitig äussere Störquellen zu minimieren. Gravitationswellensignale sind extrem schwach und können leicht von Erschütterungen durch menschliche Aktivitäten oder seismische Ereignisse überdeckt werden. Um diese Störungen möglichst gering zu halten, soll das Einstein-Teleskop 200-300 Meter unter der Erde errichtet werden. Seine Messinstrumente werden an langen Pendelketten aufgehängt, in einem Ultrahochvakuum betrieben und auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt.
Dank der Empfindlichkeit, die durch diese technologischen Fortschritte möglich sein wird, wird das Einstein-Teleskop Gravitationswellen bereits vor der Verschmelzung zweier Objekte nachweisen und sie auch nach dem Ereignis weiter beobachten können. Anstatt nur einen einzelnen Moment einzufangen, werden Forschende den gesamten «Tanz» zweier massereicher Objekte verfolgen können: ihre allmähliche Annäherung, ihren langsamen Umlauf umeinander und die zunehmende Beschleunigung ihrer Bewegung bis hin zur endgültigen Verschmelzung. Dieser kosmische Tanz erzeugt ein charakteristisches Muster von Gravitationswellen – zunächst langsam und gleichmässig, dann immer schneller und intensiver –, das nach der Verschmelzung rasch abklingt.
Der Nachweis dieser frühen Gravitationswellen mit niedriger Frequenz eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten. So können Forschende die Verschmelzung zweier Neutronensterne bereits im Voraus erkennen und sich darauf vorbereiten, das dabei ausgesandte Licht gleichzeitig mit dem Gravitationswellensignal zu beobachten. Solche kombinierten Beobachtungen helfen uns, die Geschichte des Universums zu erforschen: wie sich die kosmischen Strukturen zu ihrer heutigen Form entwickelt haben und welche Rolle die dunkle Energie dabei gespielt hat.
Die Beobachtung des gesamten «Tanzes» vor und nach der Verschmelzung liefert zudem eine Fülle von Informationen über die beteiligten Objekte. Über Schwarze Löcher – die massereichsten Bewohner unseres Universums – gibt es noch viele offene Fragen. Wie entstehen sie? Welche Massen können sie besitzen? Und sind alle dunklen Objekte, die miteinander verschmelzen, tatsächlich Schwarze Löcher – oder verbirgt sich unter ihnen vielleicht etwas völlig Unbekanntes? Je mehr wir über die Eigenschaften dieser Objekte erfahren, desto näher kommen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Antworten auf diese Fragen.
Noch faszinierender ist, dass das Einstein-Teleskop eine Verbindung zu den frühesten – den primordialen – Momenten des Universums herstellen könnte. Vor der Entstehung der ersten Sterne war das Universum ein extrem heisses, undurchsichtiges Plasma. In diesem dichten Teilchenmeer könnten die ersten Schwarzen Löcher entstanden sein, deren spätere Verschmelzungen Gravitationswellen ausgesendet hätten. Einige dieser Ereignisse könnten so weit entfernt stattgefunden haben, dass ihre Signale seitdem das Universum durchqueren und uns erst jetzt erreichen. Nach einer solch immensen Reise sind diese Wellen jedoch extrem schwach. Ihr Nachweis erfordert die beispiellose Empfindlichkeit und den neuen Beobachtungsbereich des Einstein-Teleskops. Dadurch könnten wir schliesslich Objekte studieren, die in den frühesten Epochen des Universums entstanden sind.
«Das Einstein-Teleskop wird eine neue Ära einläuten und vollständig verändern, was wir über das Universum lernen können», sagt Steven Schramm, Professor an der Universität Genf und Vertreter der Schweizer Einstein-Teleskop-Community gegenüber dem Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation der Schweiz.
Obwohl das Einstein-Teleskop noch nicht gebaut wurde, ist seine Entwicklung bereits weit fortgeschritten. In den vergangenen fünf Jahren haben mehr als 2.000 Forscher*innen und Ingenieur*innen aus rund 100 Forschungseinrichtungen weltweit an detaillierten Plänen, Risikoanalysen und alternativen Designoptionen gearbeitet. Laserinterferometer haben typischerweise eine L-förmige Struktur mit zwei Armen, entlang derer ein Laserstrahl winzige, durch Gravitationswellen verursachte Änderungen der Weglänge misst. Die Arme des Einstein-Teleskops sollen 10–15 Kilometer lang sein – eine deutliche Vergrösserung gegenüber den 4 Kilometer langen Armen von LIGO[1] – und entweder als Dreieck aus drei ineinander verschachtelten V-Strukturen oder als zwei L-förmige Anlagen an unterschiedlichen Standorten gebaut werden. Die endgültige Infrastruktur wird mehr als 120 Kilometer Vakuumröhren erfordern, die 200-300 Meter unter der Erde verlegt werden. Dies verdeutlicht das enorme Ausmass, das nötig ist, um eine so extreme Empfindlichkeit gegenüber dem Universum zu erreichen.
Im nächsten Jahr werden die Konfiguration und der Standort bzw. die Standorte des Einstein-Teleskops aus drei Kandidatenregionen ausgewählt: der Euregio Maas-Rhein an der Grenze zwischen den Niederlanden, Belgien und Deutschland, Sardinien in Italien sowie der Lausitz in Deutschland. Die endgültige Entscheidung wird den Vorschlag vollständig abschliessen und ihn für die Genehmigung durch die europäischen Regierungen vorbereiten, sodass der Bau kurz darauf beginnen kann.
Wie bei jedem hochentwickelten technologischen Projekt sind einige Herausforderungen komplexer als andere. Heutige Detektoren messen Gravitationswellen in relativ hohen Frequenzbereichen, was bedeutet, dass sie vor allem auf schnellere Bewegungen und leichtere Objekte empfindlich reagieren. Diese hochfrequenten Instrumente erfordern erhebliche Weiterentwicklungen bestehender Konzepte, um eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen. Die Beobachtung des langsamen «Tanzes» von Schwarzen Löchern sowie der Verschmelzung schwerer primordialer Objekte erfordert jedoch Detektoren, die im deutlich niedrigeren Frequenzbereich arbeiten. Solche Instrumente wurden bislang noch nie gebaut – und Forschende aus der Schweiz sind entschlossen, ihre Entwicklung massgeblich voranzutreiben.
Der Förderbeitrag «SWISS-ET Grand Projet», der über fünf Jahre mehr als 6 Millionen Schweizer Franken umfasst, stellt dringend benötigte Unterstützung in kompetente Hände. Schweizer Forschende verfügen über eine starke Erfolgsbilanz in der Entwicklung fortschrittlicher Technologien für grosse experimentelle Anlagen wie den Large Hadron Collider und die Synchrotron-Lichtquelle am Paul-Scherrer-Institut. Über ein Netzwerk angewandter Forschungsinstitute verbinden sie wissenschaftliche Innovation mit industrieller Effizienz und Skalierbarkeit.
Die Einstein-Teleskop-Kollaboration ist zuversichtlich, dass ihre ersten Beobachtungen völlig neue wissenschaftliche Entdeckungen ermöglichen werden. Da das Design bereits erheblichen Spielraum für zukünftige Upgrades vorsieht, erwarten die Forschenden, dass der Detektor für die nächsten 50 Jahre immer neue Fenster zum Universum öffnen wird. «Mit dem Einstein-Teleskop könnten wir völlig unerwartete Dinge entdecken, die wir uns heute noch nicht einmal vorstellen können», sagt Steven Schramm und bringt damit seine Begeisterung für die Zukunft zum Ausdruck.
Aleksandra Nelson
[1] Das Laserlicht, das sich innerhalb dieser Arme ausbreitet, wird dort mehrfach reflektiert, sodass es im LIGO-Experiment eine effektive Strecke von mehr als 1.000 Kilometern zurücklegt. Im Einstein-Teleskop ist geplant, dass diese effektive Weglänge sogar über 5.000 Kilometer beträgt. Diese enormen Strecken sind notwendig, damit die Detektoren die winzigen Verzerrungen der Raumzeit durch Gravitationswellen überhaupt erfassen können.
