Es geschah vor ungefähr anderthalb Milliarden Jahren, lange vor der Geburt des Menschen. Ganz zu schweigen davon, dass es bereits die Astronomie gab, die Wissenschaft, mit der die Menschheit den Kosmos zu ergründen hofft. Wir müssen jedoch so weit in die Vergangenheit zurückgehen, um den Moment zu enträtseln, als zwei kollidierende Schwarze Löcher – supermassive Objekte, die alles verschlingen, einschließlich Licht – einen völlig neuen Zweig der Astronomie ins Leben gerufen haben.
Die wahnsinnige Menge an Energie, die bei der Kollision freigesetzt wird, versetzt den umgebenden Raum und die Zeit in Bewegung. Dieser Raumzeitschauer breitete sich mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen aus, wie Wellen in einem Felsenbecken, und erreichte die Erde kurz vor 11 Uhr an einem ansonsten unauffälligen Montag im September 2015.
Die Auswirkung auf unseren Planeten war sehr gering. Es hat sie ein klein wenig durchgeknetet, vergleichbar mit der Änderung des Wasserspiegels des IJsselmeers, wenn ein einzelner Regentropfen hineinfällt. Und doch gelang es den Physikern, diese Gravitationswelle, wie die Schwingung von Raum und Zeit genannt wird, einzufangen. Es traf zwei neu eingeführte Messgeräte in den Vereinigten Staaten, die einzigen, die die Signatur dieses alten Schlags aus dem Hintergrundrauschen fischen konnten.
Diese sogenannten Ligo-Detektoren taten dies durch kilometerlange Tunnel, durch die Laserstrahlen geleitet werden, die von Spiegeln an den Enden reflektiert werden. Sie sind so abgestimmt, dass sie vom Verschieben des Laserpfads ablenken, wenn eine kosmische Welle vorbeizieht. Zwei Jahre nach der Messung erhielten die Pioniere hinter Ligo prompt den Nobelpreis für Physik.
Diese erste Messung öffnete ein ganz neues Fenster zum Universum. Bis dahin betrachteten Astronomen den Weltraum hauptsächlich mit Licht, Wärmestrahlung, Radiowellen, Mikrowellenstrahlung und so weiter. Jedes Auftreten der gleichen elektromagnetischen Wellen, bei denen sich nur die Wellenlänge unterscheidet. Das Schwanken von Raum und Zeit gab den Astronomen plötzlich ein neues kosmisches Gefühl. Es war, als ob sie bis vor kurzem das Universum nur sehen konnten, aber jetzt konnten sie es plötzlich hören.
Millionen Mal empfindlicher
Spulen wir bis heute vor, ein paar Jahre und ein paar Dutzend bestätigte Messungen später, und Physiker und Astronomen träumen bereits von mehr. Von einem Messgerät der nächsten Generation, einem europäischen Gravitationswellendetektor, der für einige Schwingungsfrequenzen bis zu einer Million Mal empfindlicher ist als seine Vorgänger, sodass Sie Tausende von Signalen pro Tag aufnehmen können. Es wird erwartet, dass ein solches Instrument selbst die leisesten Erschütterungen aus den kosmischen Tiefen holen und das Universum in seinen ersten Momenten, den Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall, untersuchen kann.
Dieser Zeitraum ist selbst für die leistungsstärksten neuen „normalen“ Teleskope völlig unzugänglich, weil das Universum zu dieser Zeit so dicht gepackt und heiß war, dass es für alles, vom sichtbaren Licht bis zur Mikrowellenstrahlung, völlig undurchdringlich war. Gravitationswellen durchdringen sie jedoch mühelos.
Die Limburger Hügellandschaft – oder besser gesagt: ein Ort, der mehr als 250 Meter unter dieser Landschaft liegt – ist einer von zwei möglichen Standorten für das wissenschaftliche Megaprojekt, das diese Urwellen aufnehmen kann. Die niederländische Regierung hat kürzlich über den Nationalen Wachstumsfonds über 900 Millionen Euro freigegeben. Davon werden in Kürze 42 Millionen ausgezahlt, die für Vorforschungen und die Manipulation der Organisation bestimmt sind. Bei Erfolg folgen später weitere 870 Millionen, wenn das Instrument tatsächlich in den Niederlanden gebaut wird.
Denn auch Italien konkurriert mit den Minen von Sos Enattos auf Sardinien als möglichem Standort. Vorstudien zeigen, dass beide Standorte für die Unterbringung des Instruments geeignet sind. Das Teleskop muss tief unter der Erde stehen, damit es vor den Erschütterungen beispielsweise vorbeifahrender Lastwagen geschützt ist. Außerdem muss die Region selbst stabil sein, damit sie „ruhig“ genug ist, um Gravitationswellen zu messen. Die endgültige Entscheidung darüber, wo das Einstein-Teleskop, denn so wird es heißen, aufgestellt werden soll, wird um das Jahr 2025 fallen.
Kontrollraum voller Kisten
An der Fakultät für Naturwissenschaften und Technik der Universität Maastricht – wo Englisch die Amtssprache ist – bauen Physiker einen Testaufbau, der die größten technologischen Fragen rund um das neue Megateleskop beantworten wird. Ein paar hundert Meter vom Ufer der Maas entfernt, in dem pechschwarzen Außengebäude, das früher Redaktion und Druckerei der Tageszeitung war Der Limburger Häuser, der ETpathfinder (ausführlich: Einstein-Teleskop-Pfadfinder) wird gerade gebaut, eine Mini-Variante des Einstein-Teleskops mit Tunneln von 20 Metern, wobei das echte bald ‚Arme‘ von 10 Kilometern haben wird.
„Dieser Aufbau ist zu klein, um Gravitationswellen zu messen“, sagt der Physiker Stefan Hild, Projektleiter von ETpathfinder, während er aus einem Raum voller Glas in der brandneuen Fakultät zusieht – bis vor etwa fünf Jahren hat die Universität Maastricht keine Forschung betrieben die fundamentale physik – ein blick auf die ersten konturen des künftigen mini-detektors. „Das wird der einzige Ort auf der Welt sein, an dem man alle nötige Technik, Vakuumröhren, Laser, Spiegel und so weiter gemeinsam testen kann“, sagt er. „Dabei spielt es für uns keine Rolle, ob das Einstein-Teleskop um die Ecke kommt oder zumindest in Italien. Wir werden sogar für die Amerikaner forschen, die an einem eigenen Ligo-Nachfolger arbeiten.‘
Im Raum selbst sieht man Halb- und Volltürme, in denen demnächst die Spiegel aufgehängt werden. Die kunststoffummantelten Stecker liegen auf dem Boden. Ein Kontrollzentrum direkt neben dem Raum für das neue Instrument, das bald den bekannten Kontrollräumen von Raketenstartplätzen ähneln wird, ist noch voller ausgepackter Kisten. „Bis Ende des Jahres muss hier alles fertig sein“, sagt Hild.
Oder naja: „fertig“… davon spricht er eigentlich lieber nicht. „Dieses Experiment ist nie beendet. Es kann über Jahrzehnte hinweg genutzt werden, um immer modernere Technik für alle Arten von Gravitationswellenexperimenten zu testen“, sagt er.
Angefangen beim Einstein-Teleskop, das nicht nur größer wird als die Ligo-Detektoren oder sein europäisches Pendant Virgo, sondern auch unter der Haube einige große Veränderungen erfährt. „Es geht nicht anders“, sagt Hild. „Wir wollen zehntausend- bis millionenfach genauer messen. Das Einstein-Teleskop wird um den Faktor drei größer – und damit empfindlicher – sein, aber davon sind Sie noch weit entfernt. Sie müssen also die Technologie anpassen.“
So versuchen die Physiker zum Beispiel, selbst die winzige braune Bewegung, die wärmegespeiste Bewegung einzelner Teilchen, draußen zu halten, indem sie alles einschließlich der Spiegel auf weit über 260 Grad unter Null herunterkühlen. „Aber die Glasspiegel, die jetzt in Ligo und Virgo verwendet werden, funktionieren bei diesen extrem niedrigen Temperaturen nicht gut“, sagt Hild. Deshalb steigen sie auf Silizium um und ersetzen die Laser durch superstabile Varianten mit einer anderen Wellenlänge. Nur: Damit hat noch niemand viel Erfahrung. „Dafür braucht man so etwas wie ETpathfinder“, sagt Hild.
Die wahre Natur der Schwerkraft
Hild ist auch gespannt, was der große Bruder „seines“ Wegweisers, das Einstein-Teleskop selbst, in Zukunft finden wird. „Wenn Sie mich fragen, was mir Energie gibt, was mich morgens aus dem Bett treibt, dann sind das all die unerwarteten Entdeckungen, die man mit einem so großen Detektor machen kann“, sagt er. „Bei Ligo und Virgo haben wir zum Beispiel schwarze Löcher mit einer völlig unerwarteten Masse entdeckt. Derzeit gibt es zweitausend Fachartikel, die versuchen, dies zu erklären“, sagt er.
Doch, betont Hild, reichen unerwartete Entdeckungen allein nicht aus. „Seien wir ehrlich: Mit solch einem vagen Versprechen wird Ihnen niemand Geld geben“, sagt er lachend. „Deshalb gibt es auch Dutzende wichtiger Fächer in Physik und Astronomie, bei denen wir mit Sicherheit wissen, dass das Einstein-Teleskop einen entscheidenden Beitrag leisten kann.“
So kann das Gerät zum Beispiel helfen zu erklären, woraus Dunkle Materie besteht, ein unsichtbares „Etwas“, das man nur indirekt entdecken kann, etwa weil seine Schwerkraft Galaxien daran hindert, auseinanderzupeitschen. Dunkle Materie könnte aus kleinen schwarzen Löchern bestehen, die kurz nach dem Urknall entstanden sind. Und es könnte das Einstein-Teleskop finden.
„Vielleicht können wir bald messen, was sich im Inneren von Schwarzen Löchern befindet“, sagt Hild. Bisher galt dies als unmöglich, denn aus einem Schwarzen Loch kann nichts entkommen, nicht einmal Informationen über sein Inneres. „Aber vielleicht können wir aus den Echos einer Kollision zwischen zwei Schwarzen Löchern, die das Einstein-Teleskop bald hören kann, etwas über das Innere ableiten.“ Alles was es dazu braucht? Ein gigantischer Detektor, 200 Meter unter den Limburger Hügeln. Die Antwort auf die tiefsten astronomischen Rätsel war noch nie so fern und gleichzeitig so nah.
Irdische Herausforderungen
Bevor das neue Einstein-Teleskop die frühesten Geheimnisse des Kosmos lüften kann, müssen seine Initiatoren ihren Blick zunächst vom Himmel auf die Erde richten. „Alle sind begeistert von der Wissenschaft und den Möglichkeiten, die das Teleskop der Region in Bezug auf Arbeitsplätze und wirtschaftliche Aktivitäten bringt“, sagte der Physiker Jo van den Brand, Projektleiter des Einstein-Teleskops.
Aber es gibt auch Herausforderungen. Beispielsweise ist die Region, in der das Teleskop aufgestellt werden soll, eine ruhige Gegend. „Wir müssen dafür sorgen, dass in diesem Umfeld, in dem auch der Tourismus wichtig ist, alles passt.“ Darüber hinaus muss das Megaprojekt, wie jedes andere Bauprojekt in den Niederlanden, mit strengen Vorschriften unter anderem in Bezug auf Stickstoff und CO umgehen.2†
Und dann besteht die Gefahr, dass jemand anderes im Bereich des zukünftigen Detektors etwas unternehmen möchte. So wollte beispielsweise das Bergbauunternehmen Walzinc 2019 in Plombières, in der Nähe des Drielandenpunt, eine Zinkmine eröffnen. Die Aktivität in einer solchen Mine würde so viele Hintergrundvibrationen verursachen, dass sie den empfindlichen Detektor übertönen könnten. „Und auch Windmühlen können problematisch sein, wenn sie dem Observatorium zu nahe kommen“, sagt Van den Brand.