Ein neues Zeitalter für die Astronomie rückt näher: Die vom geplanten Einstein-Teleskop gemessenen Gravitationswellen - winzige Verzerrungen der Raum-Zeit, die durch kosmische Katastrophen wie verschmelzende Schwarze Löcher und kollabierende Sterne entstehen – werden es sogar ermöglichen, die ersten Momente nach dem Urknall zu erforschen. Dies ist mit heutigen astronomischen Methoden nicht möglich.

Das Einstein-Teleskop (ET) ist ein Gravitationswellen (GW)-Detektor der dritten Generation, und 100 mal empfindlicher als die existierenden Instrumente. Genau wie bei den ersten beiden Generationen von GW-Detektoren werden winzige Längenveränderungen (weit weniger als der Durchmesser eines Atomkerns) in zwei miteinander verbundenen, mehreren Kilometern langen Armen gemessen. Stauchen oder strecken vorbeiziehende Gravitationswellen die Arme der Instrumente und verursachen so Längenänderungen der Laserstrahlen in jedem Arm, kann dies an einem zentralen Fotodetektor als Interferenzmuster abgelesen werden.

Die erste, vor einigen Jahren gebaute Generation solcher interferometrischer Detektoren (GEO600, LIGO, Virgo und TAMA) funktionierte wie erwartet. Die Experimente arbeiteten äußerst zuverlässig und hochpräzise. Sie lieferte auch Informationen darüber, von welchen Quellen welche Gravitationswellenstrahlung zu erwarten ist. Die nächste Generation (Advanced LIGO und Advanced Virgo) wird derzeit gebaut und soll den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen liefern – zum Beispiel von zwei umeinander kreisenden Schwarzen Löchern oder von verschmelzenden Neutronensternen. Solch eine Entdeckung wird das Zeitalter der Gravitationswellen-Astronomie einläuten. Trotzdem werden diese Detektoren noch nicht empfindlich genug sein, um die Gravitationsquellen ganz präzise untersuchen zu können.

“Wir haben uns daher entschlossen, Möglichkeiten für den Bau einer neuen Generation noch empfindlicherer Observatorien zu untersuchen. Nach dreijähriger Arbeit von mehr als 200 Wissenschaftlern aus Europa und aller Welt können wir nun die Entwurfsstudie für das Einstein- Teleskop vorlegen. Wir ebnen so den Weg zur Entdeckung bisher verborgener Bereiche des Universums“, so Dr. Harald Lück, stellvertretender wissenschaftlicher Koordinator der ET-Studie und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Hannover.

Die Studie, die am European Gravitational Observatory (EGO) in Pisa vorgestellt wird, informiert über die wissenschaftlichen Ziele von ET, die vorgesehene Bauart und Technologie des Detektors, sowie die geschätzten Bauzeiten und Kosten. ET wird außerordentlich empfindlich sein, weil es unterirdisch in einer Tiefe von 100-200 m gebaut werden soll. So können durch seismische Bewegungen verursachte Störungen und Messungenauigkeiten deutlich vermindert werden. ET wird deshalb auch bei niedrigen Frequenzen – zwischen 1 und 100 Hertz(Hz) – sehr empfindlich sein. Mit ET wird man das gesamte Spektrum der auf der Erde messbaren GW- Frequenzen beobachten können. „Mit einem derart empfindlichen Observatorium werden wir die Messung von Gravitationswellen routinemäßig als astronomische Methode einsetzen können. ET wird eine wissenschaftliche Revolution auslösen“, sagt Michele Punturo, wissenschaftlicher Koordinator der Studie.

Wichtiges Ziel der Wissenschaftler ist es auch, astronomische Beobachtungen im elektromagnetischen Spektrum (von Radio- bis Gammawellen), sowie von hochenergetischen Astroteilchen um Informationen aus dem Gravitationswellenspektrum zu ergänzen.

Ein Multi-Detektor
Die dem ET-Projekt zugrunde liegende Strategie ist, ein Observatorium mit mehr als einem GW- Detektor zu bauen und damit Einschränkungen der existierenden Instrumente zu überwinden. Deshalb soll ET aus drei verschachtelten Detektoren mit jeweils zwei Interferometern mit Armlängen von 10 km bestehen. Ein Interferometer wird dabei jeweils nach tieffrequenten Signalen (2-40 Hz) suchen, das andere nach der hochfrequenten Komponente. Die Konfiguration ist so gewählt, dass das Observatorium laufend weiter entwickelt werden kann. Zudem werden veraltete Komponenten durch dann zeitgemäße Technologien ersetzt werden können. Gleichzeitig erlaubt die vorgesehene Konfiguration, ET für verschiedene wissenschaftliche Ziele einzusetzen.

Die europäische Dimension
Die Europäische Kommission hat die Entwurfsstudie innerhalb des siebten Forschungsrahmenprogramms (7. RP) mit insgesamt drei Millionen Euro gefördert. „Die Europäische Kommission hat mit der Bereitstellung der Mittel für die Studie die Leistungen der Gravitationswellenforschung in Europa und ihre Bedeutung für grundlegende technologische Forschung gewürdigt. Sie stellt damit einen gemeinsamen Rahmen für alle Europäischen Wissenschaftler auf diesem Gebiet her und ermöglicht einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Erkundung des Universums mit völlig neuen Mitteln“, sagt Frederico Ferrini, EGO-Direktor und Projektkoordinator der Entwurfsstudie für das Einstein-Teleskop.

Das Einstein-Teleskop ist eines der so genannten „Glorreichen Sieben“ und damit eines der europäischen Projekte, die vom ASPERA-Netzwerk für die zukünftige Entwicklung der Astroteilchenphysik in Europa empfohlen werden. Das Einstein-Teleskop wäre eine wichtige Europäische Forschungsinfrastruktur und ein Eckstein des Europäischen Forschungsraums.

Expertenliste

Frankreich
Raffaele Flaminio
Benoit Mours

Deutschland
Karsten Danzmann
Harald Lück

Italien
Federico Ferrini
Michele Punturo
Fulvio Ricci

Niederlande
Jo van den Brand
Chris Van Den Broeck
David Rabeling

Großbritannien
Andreas Freise
Stefan Hild
Sheila Rowan
B. Sathyaprakash

Hintergrundinformationen

  • Das Einstein-Teleskop (ET) ist ein Gemeinschaftsprojekt acht europäischer Forschungsinstitute
    unter Leitung des European Gravitational Observatory (EGO). An ET sind beteiligt: EGO, ein italienisch-französisches Konsortium bei Pisa in Italien; das Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Italien; das Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Frankreich; das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI), Deutschland; die Universitäten Birmingham, Glasgow und Cardiff, Großbritannien; Nationaal instituut voor subatomaire fysica (NIKHEF), Niederlande.
    Außerdem waren zahlreiche Wissenschaftler aus anderen europäischen Institutionen sowie aus den USA und Japan an der Verwirklichung dieser Studie beteiligt.

  • Der direkte Nachweis von Einsteins Gravitationswellen gehört nach wie vor zu den wichtigsten offenen Fragen der modernen Wissenschaft. Ihre direkte Beobachtung wird, so hoffen die Wissenschaftler, neben der Untermauerung der Allgemeinen Relativitätstheorie, besonders für extreme Gravitationsfelder im Umfeld Schwarzer Löcher, auch die Ära der Gravitationswellenastronomie einläuten und damit vollkommen neue Einblicke in unser Universum ermöglichen: Erstmals ließe sich dann ein Blick in die ganz frühe „Kinderstube“ des Universums werfen.
    Da sich die bisherigen kosmologischen Beobachtungen des Himmels auf das elektromagnetische Spektrum beschränken, erreichen uns Informationen über die Entstehung des Universums erst ab der Periode von rund 380.000 Jahren nach dem Urknall. Weiter zurück liegende Entwicklungsphasen bleiben der Beobachtung bislang verborgen, da vorher Licht und Materie fortwähren miteinander interagierten, und das Universum erst nach diesem Zeitpunkt transparent für elektromagnetische Strahlungen wurde. Die verschiedenen Theorien zum früheren Universum sind somit bislang experimentell nicht bestätigt. Bei einer direkten Messung von Gravitationswellen könnte man vermutlich bis zum ersten Billionstel der ersten Sekunde nach dem Urknall zurückblicken, und damit völlig neue Einblicke in unser Universum erlauben.

  • Die GW-Forschung ist ein weltweites Anliegen, da vollständige Informationen über viele der GW-Quellen nur mit mehreren gleichzeitig, an weit auseinanderliegenden Stellen arbeitenden Interferometern gewonnen werden können. Daher arbeiten die US-Amerikanischen (LIGO), Deutsch-Britischen (GEO600) und Italienisch-Französisch und Niederländischen (Virgo) Wissenschaftler schon lange eng zusammen. Sie teilen technologische Forschungen und Erkenntnisse, theoretische Fortschritte sowie Datenanalysemethoden und –werkzeuge. Das Gesamteuropäische Projekt ET wird die weltweite Zusammenarbeit noch weiter verbessern.

Die derzeit aktiven Observatorien:

  • GEO600: Das deutsch-britische Observatorium ist in der Nähe von Hannover angesiedelt
    und wird von Forschern des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein- Institut AEI) und der Leibniz Universität Hannover sowie der britischen Universitäten Glasgow, Cardiff und Birmingham betrieben. Finanziert wird das GEO-Projekt von der Max-Planck-Gesellschaft, dem Land Niedersachsen, der Volkswagenstiftung, sowie dem britischen Science and Technologies Facilities Council (STFC). GEO arbeitet eng mit dem Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) in Hannover zusammen.
  • Virgo: Französisch-italienisch-niederländisches Projekt mit 3 km langen Laserarmen in Cascina bei Pisa. Dieses Projekt hat sich von Anfang an auch die Messung bei besonders niedrigen Frequenzen zum Ziel gesetzt. Virgo wird von CNRS (Centre national de la recherche scientifique) und INFN (Istituto Nazionale de Fisica Nucleare) finanziert.

  • Bei den US-amerikanischen LIGO-Detektoren handelt es sich um je ein 2-km- und ein 4-km-Instrument in Hanford im Bundesstaat Washington und ein 4-km-Instrument in Livingston im Bundesstaat Louisiana. Das vom California Institute of Technology (CalTech) und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelte und betriebene LIGO-Projekt wird von der National Science Foundation (NSF) finanziert.

German and UK participants in ET

New technologies at the limits of the laws of nature
Germany and the UK have a broad and vigorous programme of gravitational wave research and contributed substantially to the ET conceptual design study. The German Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) and the UK Universities of Birmingham, Cardiff and Glasgow cooperate since many years in the GEO Collaboration and worked within the ET study on several work packages outlining ET’s scientific targets, the detector layout and technology, as well as the timescale and estimated costs. Further below you will find more information and comments from the leading German and UK scientists.

Germany and the United Kingdom have been involved in gravitational wave research from its very beginning: Researchers from the University of Glasgow and the Max Planck Society have been working on the concept of a laser interferometric gravitational wave detector since the 1970s. In the 1980s colleagues from Cardiff University and a few years later from the University of Birmingham joined and in 1994 the project received funding to build the GEO600 detector near Hanover, Germany. The successful design strategy for GEO600 was to build a low-cost, high-technology detector with a sensitivity comparable to the much longer US LIGO and French-Italian-Dutch Virgo detectors. GEO600 took its first test data in 2002 and has been working as part of the global network, searching for gravitational wave signals pioneering new technologies.

Today GEO600 and the GEO project has firmly established itself as an international think tank for experimental gravitational wave research. The GEO project with its members from Germany and UK is a full partner in the US Advanced LIGO project with a central role in data analysis and the instrumental upgrade (supported by a capital investment from PPARC/STFC and MPG). The German-UK gravitational wave community also plays a major role in the space-based projects LISA Pathfinder and LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

The close collaboration of German and UK scientists with colleagues from other European countries is one of the critical factors for success of the ET design study. This grouping of gravitational wave research scientists working together is opening the road for further collaboration towards a third generation gravitational wave observatory on the European level.

Cardiff University: School of Physics and Astronomy
Scientists of the School of Physics and Astronomy at Cardiff University coordinated the ET Work Package 4 “Astrophysics issues”. The group, led by Professor B.S. Sathyaprakash, coordinated with the entire Science Team and evaluated inputs on the science potential, prioritized the list of scientific benefits and gauged the scope of alternative proposals for different configurations of the detector.

Prof. Sathyprakash summarizes the results as follows: “Einstein Telescope will truly revolutionize our understanding of the Universe by impacting fundamental physics, cosmology and astrophysics. ET will be an astronomical observatory to unveil the secret and hidden lives of neutron stars and black holes – the most compact objects in the Universe.
ET will observe gravitational radiation arising from their collisions in binary systems when the Universe was still in its infancy, assembling the first galaxies and the large scale structure. ET will detect their formation when mature stars collapse and explode in violent supernovae and hypernovae. It will be sensitive to quakes in neutron stars and ripples on black holes caused by a colliding star or a black hole, providing us new insights into complex physical processes.”

The Gravitational Physics Group at Cardiff University works on the ultimate goal in gravitational wave research: the detection of gravitational waves in the data from the international gravitational wave detector network. The group's effort is predominantly spent in searching for what is believed to be the most promising class of astronomical sources, namely the coalescence of binary neutron stars and black holes. The group also researches into the theoretical aspects of gravitational waves sources, specializing in the production of a stochastic background of gravitational waves in the primordial Universe and modelling the late time dynamics of binary black holes.


Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (MPG) e.V., acting through Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI)
The AEI scientists under the leadership of Prof. Karsten Danzmann and Prof. Bruce Allen, directors of the Albert Einstein Institute, and Dr. Harald Lück who co-chaired the ET design study, are contributing to the following tasks in the ET project:

Work Package 1 (Site identification):
The main objectives of this work package are the definition of the seismic requirements of an experimental site, selection between underground or surface site, definition of the requirements of the infrastructures, conceptual design of the main infrastructures and evaluation of their costs, and a site candidates listing. The AEI contributes to the tasks of site selection and seismic isolation technologies.

Work Package 3 (Topology identification):
The main objectives of work package 3 are the definition of the requirements in terms of quantum noise, identification of the detector topology, selection of the detector geometry. Experience within the AEI with high power lasers, the corresponding high power handling optics, diffractive optics, squeezed light, numerical simulations of various interferometer topologies is being used in all of the tasks of Work Package 3, i.e. the optical design work.

Work Package 4 (Astrophysics issues):
The AEI is developing data analysis techniques for searches for all types of signals. The close connection to the LISA science team will ease investigating complementarities and cooperation possibilities between the 3rd generation observatory and LISA.

The Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) currently comprises five divisions located on two sites, one in Potsdam-Golm and one in Hannover. In its five divisions, the AEI research program covers the entire spectrum of gravitational physics: experimental, observational, and theoretical.

The unique high power lasers used in GEO600 and Virgo and the lasers foreseen for the upgrades of the detectors have been developed by the Laser Zentrum Hannover (LZH) and the AEI. Additionally the AEI is investigating the use of squeezed light and diffractive optics in ground-based gravitational-wave detectors. It is also leading the design of the LISA Pathfinder mission, which paves the way for LISA itself. The AEI has built, commissioned and is running and improving the gravitational wave detector GEO600 together with its colleagues from UK. The GEO project works in close cooperation with the cluster of excellence QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) at the Leibniz Universität Hannover.

On the data analysis and astrophysics side, the AEI has developed the core data analysis software and algorithms used to search LSC data for continuous wave signals. Its staff develops and manages the public distributed computing project Einstein@Home, which is the second largest public distributed computing project in the world. Since its inception, the numerical relativity group at the AEI has been at the forefront of all breakthroughs in numerical solutions of Einstein's equations and gravitational wave source modelling. Proximity between the data analysis and numerical relativity groups provides extraordinary synergistic opportunities. The AEI is running a large computer cluster (ATLAS) with thousands of computing nodes dedicated to searching the vast amount of collected data for gravitational waves.

“The ET methodology is ingenious and the technological requirements are jaw-droppingly demanding. We researchers are so excited about this project because with ET we will be able to obtain information about the most distant regions of the universe. We can expect exciting discoveries in the field of gravitational wave astronomy”, says Karsten Danzmann.


University of Birmingham: School of Physics and Astronomy
The Gravitational Wave group within the School of Physics and Astronomy at the University of Birmingham has been involved in the Einstein Telescope from its very beginning and is now contributing to work packages 3 (chaired by Andreas Freise) and 4.

Dr. Andreas Freise from the University of Birmingham's School of Physics and Astronomy who leads the optical design of the Einstein Telescope says: "The Einstein Telescope is an amazing instrument, it combines many new ideas and technologies to create the most sensitive instrument listening to the faint echos in the fabric of space and time". He knows several complex gravitational wave detectors from first hand experience: "I helped building the GEO600 and Virgo detectors and later had the chance to contribute to the optical design for Advanced Virgo. Now, leading the optical design of the Einstein Telescope has been a great opportunity for me, using hands-on experience to design something completely new."

Prof. Alberto Vecchio who leads the LIGO Scientific Collaboration activities at the University of Birmingham, said: "We expect to achieve the first direct detection of gravitational waves with Advanced LIGO, to which our group has made direct contributions. As new ideas mature, the Einstein Telescope becomes the next natural step in the quest for observing the universe with new "eyes", and a bold step beyond Advanced LIGO: with its exquisite sensitivity the Einstein Telescope will enable us to produce precise maps of black holes, unveiling many of their mysteries, and possibly peek into the first moments of cosmic history after the Big Bang."

The research programme of the Gravitational Wave Group at the University of Birmingham is centred on the observation of the universe in the gravitational wave band, and on testing gravity at new scales. The group's expertise in theory and data analysis complements the experimental activities, and underpins the wide- ranging theoretical and observational programme. This is focused on studies of gravitational wave sources and relevant astrophysical scenarios, the development of efficient analysis techniques and the search for gravitational waves in the data of LIGO, Virgo and GEO600.

University of Glasgow: Institute for Gravitational Research (IGR)
The Institute for Gravitational Research (IGR) at the University of Glasgow has 40 years experience of pioneering efforts in the gravitational wave field and now contributes to ET under the leadership of Prof. Sheila Rowan; Director of the Institute for Gravitational Research on the following tasks:

Work Package 2 (Suspension requirements):
The suspensions of ET ́s optical elements must provide the necessary attenuation from seismic and acoustic noise and must implement the control strategy necessary to keep the interferometer at its working point. The IGR has a high level of expertise in the study of mechanical losses of materials at room and low temperature losses and thus contributes strongly in this area. IGR scientists applied this expertise to the conceptual design of ET ́s overall cryogenic suspension. As the group has also unparalleled experience in the design and construction of monolithic final stage suspension so also contributed strongly to the last stage suspension design tasks of ET.

Work Package 3 (Topology identification):
Within the German-British gravitational wave project GEO the IGR is developing several aspects of advanced interferometry. In particular, expertise in all-reflective interferometers, and in radiation pressure effects in high power coupled cavity systems, informed the preliminary design of ET ́s interferometer topology and options for signal readout.

Work Package 4 (Astrophysics issues):
Glasgow has a high level of expertise and experience in determining the astrophysical implications of detector data. Hence the IGR scientists study the cosmological implications of z~1 neutron star coalescences, the requirements for joint (trigger mode) observations with the Square Kilometer Array and optimisation of the detector for galactic pulsar observations.

The IGR has a substantial research programme centred on the detection and analysis of gravitational wave signals. The IGR members are co-founders of the GEO collaboration and the LIGO Scientific Collaboration, with significant investment from UK funding councils (STFC and SFC) and the University of Glasgow underpinning their state of the art experimental laboratories. The experimental expertise in the areas of low thermal noise suspensions for interferometric detectors and advanced optical topologies for interferometers has helped shape the worldwide field of gravitational wave detection with the novel suspension technologies they developed for the GEO instrument being adopted for the US ‘Advanced LIGO’ detector system upgrade, supported by a capital investment from STFC (on which Glasgow is UK lead institution) and a variant adopted for use in upgrades to the Virgo detectors, along with developments of our advanced interferometric techniques.

"Today, European researchers are presenting an exciting programme of gravitational wave detection involving instruments that are unbelievably sensitive able to sense changes in distances, resulting from the effects of periodic space-time distortions on a mass, much smaller than an atomic nucleus. UK scientists, supported by STFC and SFC, are not only pioneers in developing a significant part of the novel ET technology, but also in formulating detailed theoretical predictions about gravitational wave events across the Universe and the associated patterns of frequencies we can expect to see", says Sheila Rowan.