Ein größerer, besserer Raum

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Die Suche nach raumerschütternden Wellen im Universum hat gerade einen großen Aufschwung bekommen. Ein vom MIT geleitetes Projekt zum Bau eines größeren, besseren Gravitationswellendetektors wird in den nächsten drei Jahren 9 Millionen Dollar von der National Science Foundation erhalten. Die Finanzspritze wird die Entwurfsphase für Cosmic Explorer unterstützen – ein Gravitationswellen-Observatorium der nächsten Generation, das voraussichtlich Wellen in der Raumzeit aus der Zeit des frühen Universums aufzeichnen wird. Zu diesem Zweck sollen die Detektoren des Observatoriums die gesamte Länge einer Kleinstadt abdecken.

Das konzeptionelle Design des Observatoriums orientiert sich an den Detektoren von LIGO – dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, das vom MIT und Caltech betrieben wird. LIGO „lauscht“ auf Gravitationswellen, indem es das Timing zweier Laser misst, die sich vom selben Punkt aus durch zwei separate Tunnel und wieder zurück bewegen. Jeder Unterschied in ihren Ankunftszeiten kann ein Signal dafür sein, dass eine Gravitationswelle den L-förmigen Detektor passiert hat. LIGO umfasst zwei Zwillingsdetektoren, die an verschiedenen Standorten in den Vereinigten Staaten aufgestellt sind. Ein ähnlicher Detektorsatz, Virgo, ist in Italien im Einsatz, ein dritter, KAGRA, in Japan.

Zusammen erfasst dieses bestehende Netzwerk von Detektoren alle paar Tage Wellen von Gravitationswellenquellen, beispielsweise verschmelzenden Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Wissenschaftler glauben, dass Cosmic Explorer diese Rate alle paar Minuten auf ein Signal erhöhen sollte. Die aus diesen Entdeckungen hervorgehenden wissenschaftlichen Erkenntnisse könnten Antworten auf einige der größten Fragen der Kosmologie liefern.

MIT News hat sich mit dem Geschäftsführer von Cosmic Explorer, Matthew Evans, Professor für Physik am MIT, und dem Co-Hauptforscher Salvatore Vitale, außerordentlicher Professor für Physik am MIT, darüber unterhalten, was sie vom frühesten Universum zu hören hoffen.

Q:Erläutern Sie uns die Grundidee des Cosmic Explorer – was macht ihn zu einem Gravitationswellendetektor der „nächsten Generation“?

Evans: Cosmic Explorer ist in gewisser Weise ein riesiges LIGO. Die LIGO-Detektoren sind pro Arm vier Kilometer lang, und Cosmic Explorer wird eine Seitenlänge von 40 Kilometern haben, also zehnmal größer. Und das Signal, das wir von einer Gravitationswelle erhalten, ist im Wesentlichen proportional zur Größe unseres Detektors, und deshalb sind diese Dinger so groß.

Größer ist bis zu einem gewissen Punkt besser. Irgendwann haben Sie die Länge des Detektors an die Wellenlänge der einfallenden Gravitationswellen angepasst. Und wenn man es dann weiter ausbaut, sinken die Erträge in Bezug auf die wissenschaftliche Leistung wirklich. Es ist auch schwierig, Standorte zu finden, um einen so großen Detektor zu bauen. Wenn Sie zu groß werden, wird die Krümmung der Erde zum Problem, da sich der Laserstrahl des Detektors in einer geraden Linie ausbreiten muss, und das ist weniger möglich, wenn ein Detektor so groß ist, dass er sich mit der Erde krümmen muss.

Was die Suche nach möglichen Standorten angeht, gibt es heute glücklicherweise im Gegensatz zu den 1980er Jahren, als nach Standorten für LIGO gesucht wurde, viele öffentliche Daten, die digital verfügbar sind. Wir verfügen also bereits über erste Versionen algorithmischer Suchvorgänge, mit denen die USA nach potenziellen Kandidatenseiten durchsucht werden können. Wir suchen nach Orten, die einigermaßen flach sind, aber in Bezug auf die Höhe auch ein wenig schüsselförmig sind, weil so einige Ausgrabungen vermieden werden könnten. Und wir suchen nach Orten, die nicht mitten in Städten oder Seen oder in den Bergen liegen und die nicht so weit von besiedelten Regionen entfernt sind, dass wir uns vorstellen können, Wissenschaftler dort ein- und auszureisen. Unser erster Durchlauf zeigt, dass es einige potenzielle Kandidaten gibt, insbesondere in der westlichen Hälfte der USA

Wir betrachten Cosmic Explorer als „nächste Generation“ in dem Sinne, dass es bestehende Observatorien ersetzen wird. Wenn wir in den USA zwei Cosmic-Explorer-Observatorien bauen würden, was unser Referenzkonzept ist, würden wir vermutlich die beiden LIGO-Observatorien schließen. Das ist wahrscheinlich Mitte der 2030er Jahre, je nachdem, wie die Finanzierung verläuft. Es liegt also noch ein weiter Weg in der Zukunft. Aber wir glauben, dass es den Namen des Spiels im Hinblick auf die Wissenschaft, die wir betreiben können, verändern würde.

Q: Und was könnte diese Wissenschaft sein? Welche neuen Dinge könnten Sie sehen und welche großen Fragen könnten dadurch beantwortet werden?

Vitali: Dadurch können wir weiter entfernte Quellen sehen. Und mit Quellen meine ich Dinge, die wir heute sehen, wie zum Beispiel die Kollision von Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Jetzt können wir mit der Empfindlichkeit von LIGO Quellen in unserem Hinterhof sehen, kosmologisch gesehen – vor etwa eineinhalb Milliarden Jahren. Das scheint weit weg zu sein, aber verglichen mit der Größe des Universums, das etwa 13 bis 14 Milliarden Jahre alt ist, ist das ziemlich nah. Das bedeutet, dass wir wichtige Schritte in der Geschichte des Universums verpassen, darunter den „Kosmischen Mittag“, in dem die meisten Sterne im Universum entstanden sind. Damals war das Universum etwa 3 Milliarden Jahre alt. Es wäre großartig, Zugang zu Quellen zu erhalten, die zu dieser Zeit entstanden sind, denn dadurch würden wir viel darüber lernen, wie Schwarze Löcher und Neutronensterne aus Sternen entstehen.

Wenn wir darüber hinausgehen, als das Universum etwa eine Milliarde Jahre alt war, während der Epoche der Reionisierung – als Atome ionisiert wurden und sich Galaxien zu bilden begannen –, ist dies für uns immer noch zu weit, um es zu erkennen. Bis zu diesen Entfernungen und sogar darüber hinaus würde Cosmic Explorer empfindlich auf die Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen reagieren.

Wir werden auch in der Lage sein, Quellen viel klarer und lauter zu sehen. Heutzutage könnte LIGO etwas mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 30 erkennen, wo es ziemlich laut, aber schwer zu charakterisieren ist. Dasselbe Signal, das durch Cosmic Explorer kommt, hätte ein Signal-Rausch-Verhältnis von 3.000. Also alles, was wirklich empfindliche Messungen erfordert, wie zum Beispiel die Prüfung, ob Einsteins Relativitätstheorie korrekt ist, was wir jetzt tun können, aber mit großen Unsicherheiten – das wäre mit Cosmic Explorer ein präziserer Test.

Schließlich werden viele Messungen umso besser, je mehr Quellen man hat. Wir glauben, dass Cosmic Explorer Hunderttausende Doppelsterne von Schwarzen Löchern und bis zu eine Million Neutronensternverschmelzungen pro Jahr entdecken könnte.

Evans: Durch die Möglichkeit, mehr Quellen zu erkennen, können Sie Objekte erkennen, die sich in den Ecken des Parameterraums befinden und die Sie sonst nicht erkennen würden – wie z. B. sehr große Spins des Schwarzen Lochs oder sehr hohe Massenverhältnisse. Wenn Sie Hunderttausende Quellen haben, können Sie diese Sonderlinge erkennen.

Q:Wie geht es mit dem Projekt weiter?

Evans: In den nächsten drei Jahren werden wir ein vollständiges Top-Down-Design erstellen, bei dem wir alle Parameter des Instruments auswählen und die Infrastruktur einbeziehen, die es umgibt, wie das Vakuumsystem, und am Ende Architekturentwürfe dafür erstellen die Gebäude. Und all dies muss zu einer Kostenschätzung führen, die sowohl für die Konstruktion als auch für den Vorentwurf einigermaßen fundiert ist. An diesem Punkt müssen wir Standorte identifiziert haben, solide architektonische und infrastrukturelle Entwürfe erstellen lassen und das Design des Instruments wird auf der Ebene von Schrauben und Muttern erfolgen.

Das Umfeld, in dem wir dies tun, umfasst auch andere Detektoren der nächsten Generation, die sich in der Entwicklung befinden, wie etwa die Weltraummission LISA, die von der Europäischen Weltraumorganisation betrieben wird und voraussichtlich Mitte der 2030er Jahre starten wird. Es gibt auch das Einstein-Teleskop in Europa. Bei all diesen Gruppen handelt es sich eher um Kollegen als um Konkurrenten, mit denen wir gerne zusammenarbeiten. In diesem Bereich kommt man gemeinsam weiter. Es ist eine Art globale Anstrengung, diese Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation zu bauen, und es ist eine globale Wissenschaft.

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