Uni Siegen entwickelt Schlüsseltechnologie für das Einstein-Teleskop

Im Universum ereignen sich jeden Tag gewaltige Kollisionen: Schwarze Löcher und Neutronensterne umkreisen einander und verschmelzen miteinander – dabei entstehen Gravitationswellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum ausbreiten. Schon 1916 sagte Albert Einstein voraus, dass Gravitationswellen den Raum selbst minimal verformen: Entfernungen werden dabei für einen winzigen Moment gestreckt und wieder gestaucht. Rund 100 Jahre später gelang es erstmals, ein solches Ereignis tatsächlich zu messen. Mit dem geplanten europäischen „Einstein-Teleskop“ möchte die Wissenschaft Gravitationswellen zukünftig wesentlich präziser messen, um tief in die kosmische Vergangenheit zu blicken. Physiker*innen der Universität Siegen sind an der Vorbereitung des internationalen Großprojekts unmittelbar beteiligt. Vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt gab es dafür nun eine erste Förderung von mehr als 400.000 Euro.

„Aufgrund unserer Expertise in hochmoderner Datenelektronik sind wir eingeladen worden, beim Einstein-Teleskop dabei zu sein. Darüber freuen wir uns natürlich sehr – es ist großartig, Teil dieses auf Jahrzehnte angelegten, hochspannenden europäischen Großprojekts zu sein“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Markus Cristinziani.

Das geplante Einstein-Teleskop soll bis zu tausendmal mehr Gravitationswellen aufzeichnen können, als heutige Observatorien: Komplett unter der Erdoberfläche verborgen, wird es mit drei jeweils zehn Kilometer langen Armen Messungen durchführen. Die Länge der Detektorarme wird dazu mit sensiblen Lasern und aufwendig gegen Vibrationen isolierten Spiegeln ständig überwacht. Verändert sich die Länge in einem bestimmten Muster, zeigt dies eine vorbeiziehende Gravitationswelle an. Durch deren präzise Messung ermöglicht das Teleskop künftig einen Blick in die Urzeit: Es soll Gravitationswellen aus einer Zeit erkennen, als das Universum noch sehr jung war – und so unter anderem Aufschluss über die Entstehung der ersten schwarzen Löcher geben.

„Durch Messungen im Niedrig-Frequenzbereich können wir mit dem Einstein-Teleskop sogar schon im Voraus erkennen, wenn sich ein spannendes Ereignis anbahnt“, sagt Cristinzianis Kollege, Prof. Dr. Markus Risse. Weltweit könnten Teleskope dann rechtzeitig entsprechend ausgerichtet werden, um das Ereignis bestmöglich zu beobachten.

Damit ein solches Frühwarnsystem funktioniert, müssen selbst kleinste Störungen herausgefiltert werden. Eine davon ist das sogenannte „Newtonsche Rauschen": Seismische Wellen verschieben und verdichten das Gestein in der Umgebung des Detektors. Dadurch entstehen winzige Schwankungen des lokalen Gravitationsfelds, die unmittelbar auf die empfindlichen Spiegel wirken und das Messsignal überlagern können.

Genau hier setzt das geförderte Projekt der Siegener Forschenden an: Die Physiker*innen entwickeln eine besonders schnelle und flexibel programmierbare Elektronik: Chips werden dabei so konfiguriert, dass sie KI-Algorithmen zur aktiven Unterdrückung unerwünschter Störsignale ausführen können. „Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz und einer spezialisierten Elektronik möchten wir die Störungen mit äußerst geringer zeitlicher Verzögerung erfassen und ausgleichen. Dadurch kann ein Korrektursignal nahezu in Echtzeit in die Regelung des Detektors eingespeist werden“, erklärt Prof. Cristinziani.

Die Siegener Arbeiten sollen dazu beitragen, dass die riesigen Datenmengen, die das Einstein-Teleskop künftig aufzeichnen wird, schnell und präzise ausgewertet werden können. Das Projekt zeige, wie eng moderne Grundlagenforschung mit technologischer Entwicklung verbunden ist, sagt Prof. Risse: „Das Einstein-Teleskop wird fundamentale Fragen des Universums untersuchen. Gleichzeitig entwickeln wir Methoden, die an der Grenze dessen liegen, was technisch möglich ist. Genau diese Verbindung macht unsere Forschung so spannend.“