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Gravitationswellen sind ein Stück Schweizer Forschungstradition. Albert Einstein hat sie in seiner berühmten Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt, und Schweizer Forschende waren von Anfang an bei Experimenten dabei, die nach Gravitationswellen suchen. Auch in zukünftige Projekte werden sie ihr Fachwissen einbringen, unter anderem Fachwissen direkt aus der Teilchenphysik. Hier ein Update zum aktuellen Stand der Forschung...
Shubhanshu Tiwari war gerade im ersten Jahr seines Doktorats am Gran Sasso Science Institute in Italien, als der LIGO-Detektor das erste Signal einer Gravitationswelle auffing. "Mein Doktorvater hat als allererster das Signal gesehen. Das war grossartig ", erinnert er sich. "Ich hatte unglaubliches Glück, bei diesem historischen Moment dabei zu sein." Das war im September 2015, und an die nächsten Wochen erinnert sich Tiwari, der heute an der Universität Zürich forscht, nur verschwommen. "Wir hatten wochenlang schlaflose Nächte", sagt er, Nächte, in denen sie penibel die Daten überprüften, um sicherzustellen, dass es sich wirklich um das Signal handelte, nach dem die Forschenden gesucht hatten.
Und tatsächlich war es echt: das erste direkt nachgewiesene Signal einer Gravitationswelle, das bei der Kollision und Verschmelzung zweier schwarzer Löcher in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren entstanden war. Die Welle wanderte durch Raum (und Zeit) und verzerrte diesen auf ihrem Weg – damit auch die Arme des LIGO-Experiments in den USA. So verursachte die Gravitationswelle ein Signal im Detektor.
Wie von Einstein vorhergesagt, werden Gravitationswellen erzeugt, wenn im Weltraum extreme Dinge passieren: Kollisionen von schwarzen Löchern und Neutronensternen oder Supernovae, also Sterne, die ihr Leben mit einer riesigen Explosion beenden. Diese extremen Ereignisse stören die Raumzeit und senden Wellen in alle Richtungen. Diese Wellen enthalten Informationen über ihren Ursprung und möglicherweise über die Natur der Schwerkraft selbst. Die Forschenden brauchen nur die richtigen Werkzeuge, um diese Informationen zu lesen.
Seit den 1970er Jahren wurden Teleskope eingesetzt, um indirekte Hinweise auf die Existenz von Gravitationswellen zu finden, aber die ersten Experimente zu ihrem direkten Nachweis wurden erst in den 1990er Jahren mit LIGO (auf der Erde) und den Prototypen des geplanten LISA-Gravitationswellenobservatoriums (im Weltraum) in Angriff genommen. LISA wird aus einer Reihe von Satelliten bestehen, die mit hochempfindlichen Interferometern ausgestattet sind. Gemeinsam haben diese Satelliten eine Armlänge, die eine Million Mal grösser ist als die der Experimente auf der Erde. Diese grössere Armlänge erlaubt es , ein völlig anderes Spektrum von Signalen zu erfassen. Das Projekt ist noch nicht offiziell genehmigt, der erste Schritt zur internationalen LISA-Mission wurde allerdings mit LISA Pathfinder gemacht, diese Mission wurde 2017 abgeschlossen.
LISA Pathfinder sollte beweisen, dass LISA nicht nur wissenschaftlich, sondern auch technisch machbar ist. Hier kamen die Schweizer Forschenden mit zwei Professoren ins Spiel: dem Physiker Philippe Jetzer von der Universität Zürich und dem Geologen und Seismologen Domenico Giardini von der ETH Zürich. Ihnen gelang es, Wissenschaft und Technik zusammenzubringen, und auch die Schweizer Industrie soll bei der endgültigen Mission eine wichtige Rolle spielen. "Der Plan ist, dass jeder Laser, der im Rahmen der LISA-Mission ins All fliegt, von der Forschungs- und Entwicklungsorganisation CSEM in Neuchatel kalibriert wird", erklärt Steven Schramm von der Universität Genf. "Die NASA wird die Laser bauen und sie in die Schweiz schicken, um sie dort messen und kalibrieren zu lassen. CSEM soll ein sehr gründliches Programm von Qualitätsprüfungen und -kontrollen durchführen."
Schramm, von Hause aus Teilchenphysiker, ist Teil eines anderen Zukunftsprojekts, das mehr über Gravitationswellen und damit über die Entwicklung unseres Universums herausfinden will: das sogenannte Einstein-Teleskop (ET). Sein Konzept ähnelt dem der bestehenden Gravitationswellenexperimente LIGO, VIRGO, KAGRA und GEO 600, weil es ebenfalls lange Strecken, Laser und präzise Interferometrie nutzt. ET würde jedoch in einem Dreieck statt einem Winkel gebaut, seine Arme wären 10 Kilometer lang und unter der Erde. Ausserdem soll es auf sehr niedrige Temperaturen heruntergekühlt werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.
Das Einstein-Teleskop bringt völlig neue technologische Herausforderungen mit sich. So wird es zum Beispiel eine viel höhere Anzahl von Gravitationswellenereignissen beobachten, aufzeichnen und verarbeiten können müssen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen und gleichzeitig das vorhandene Fachwissen der Expert:innen aus der Theorie, der Astronomie und der Teilchenphysik zu bündeln, hat die Universität Genf kürzlich das interdisziplinäre "Gravitational Wave Science Centre" gegründet. "Wenn man schon mal mit Datenverarbeitung und Computing am LHC zu tun hatte, ist es keine so grosse Sache, das Hintergrundrauschen zu durchforsten, sicherzustellen, dass Signale als solche erkannt werden oder Daten in der Grössenordnung von einem Signal pro Sekunde aufzuzeichnen", sagt Schramm, Computerexperte am ATLAS-Experiment am LHC. "Die Schwierigkeit besteht darin, alle Messungen zu kombinieren, die Daten sowohl schnell als auch genau zu verarbeiten und das Ergebnis dann sofort an die externen Partner weiterzugeben. Das ist eine komplexe Rechnung, die einen sehr schnellen Durchsatz und gute Zusammenarbeit erfordert; insgesamt also eine spannende Herausforderung."
Ziel ist es, die Forschungspartner - andere Arten von Teleskopen und Observatorien auf der ganzen Welt - sofort in Bereitschaft zu rufen, wenn interessante Signale eintreffen, damit sie ihre Detektoren in die richtige Richtung richten und das Signal in ihren jeweiligen Wellenlängen aufzeichnen können. Dieses Konzept, die so genannte Multi-Messenger-Astronomie, verspricht, das bisher vollständigste Bild der Regeln und Gesetze im Universum zu liefern.
Seit dem ersten direkten Nachweis vor sieben Jahren wurden viele weitere Gravitationswellen aus verschiedenen galaktischen Quellen und Ereignissen aufgezeichnet und untersucht. Die Universität Zürich ist seit fünf Jahren Teil der LIGO Scientific Collaboration und ist nicht nur das erste, sondern bisher auch das einzige Schweizer Institut, das direkt zu den momentan laufenden bodenbasierten Gravitationswellendetektoren beiträgt, nämlich LIGO (USA), VIRGO (Italien) und KAGRA (Japan). Die Mitglieder des Instituts leiten Beobachtungen, Forschungs- und Entwicklungsgruppen oder sind als Autoren für wissenschaftliche Publikationen aktiv.
Maria Haney ist Astrophysikerin in der Gruppe an der Uni Zürich. Sie stellt sicher, dass alles erfasst wird – auch Signale von ungewöhnlichen Quellen – indem sie einerseits theoretische Modelle entwickelt für Gravitationswellen, die von Doppelsternsystemen aus Schwarzen Löchern und Neutronensternen stammen, und andererseits Datenanalysewerkzeuge für die astrophysikalische Interpretation dieser Quellen schafft. Sie forscht an mehreren Gravitationswellenprojekten gleichzeitig; derzeit bereitet sie sich auf die nächste Beobachtungsperiode der LIGO-Virgo-KAGRA-Instrumente vor und wird im Sommer zum niederländischen Nationallabor Nikhef wechseln, wo sie sich auf die Entwicklung von Theorie und Datenanalyse für das Einstein-Teleskop konzentrieren wird. Ihre Modelle und Werkzeuge sind für alle diese laufenden und geplanten Gravitationswellenprojekte relevant.
Maria Haney und Shubhanshu Tiwari werfen dabei ihre Expertise und ihr Fachwissen in theoretischen Vorhersagen und Datenanalyse zusammen, um ganz besondere Gravitationswellen zu finden. Sie stammen von Ereignissen, denen bisher nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt wurde und die daher als Rauschen abgetan oder falsch interpretiert werden könnten. Bislang haben die Experimente Signale von rotierenden Doppelsternsystemen auf kreisförmigen Bahnen aufgefangen. Nur: Was ist mit exzentrischen Bahnen? "Solche Signale sind vielleicht selten, aber sie würden auch in den Detektordaten ganz anders aussehen", meint Haney. In einer dichten Umgebung wie einem Galaxienhaufen könnten sich Doppelsternsysteme aus Schwarzen Löchern so nah zueinander bilden, dass sie aufgrund ihrer Anziehungskraft gar nicht in eine kreisförmige Umlaufbahn kommen können. "Diese Systeme sind sehr interessant, weil sie uns mehr über die Funktionsweise schwarzer Löcher verraten können", erklärt Haney.
Während die derzeit laufenden Detektoren natürlich auch jetzt gerade interessante Ereignisse aufzeichnen, werden die geplanten Zukunftsprojekte nicht nur in der Lage sein, eine grössere Vielfalt an Gravitationswellen zu beobachten, sondern auch viel mehr von ihnen aufzuzeichnen. Wenn sie grünes Licht bekommen, würde das Einstein-Teleskop um das Jahr 2035 herum, LISA um 2037 starten. Die Entscheidungen werden in drei bis vier Jahren erwartet. Aber was auch immer geschieht – Schweizer Wissenschaftler:innen werden mit Sicherheit eine wichtige Rolle dabei spielen.
Kontakt
Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP)
c/o Prof. Dr. Michele Weber
Universität Bern
Laboratory for High Energy Physics LHEP
Sidlerstrasse 5
3012 Bern