Unsichtbares sichtbar machen

Für uns unvorstellbar, für Science-Fiction-Heldinnen und Helden wie Kirk, Spock, Kathryn Janeway oder Jean-Luc Picard normal: Im Weltall rauscht, bebt und zittert es. Das Unhörbare und nicht Wahrnehmbare, wie die Kollision von Schwarzen Löchern, können Astrophysikerinnen und Astrophysiker mit Gravitationswellendetektoren belauschen und sichtbar machen. Albert Einstein erwähnte Gravitationswellen bereits 1916 als Konsequenz seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Entdeckt wurden sie aber erst 2015. Die Erforschung dieser Wellen ist entscheidend für unser Verständnis des Universums.

Überall dort, wo es darum geht, bisher Unsichtbares sichtbar zu machen, ist auch ZEISS SMT nicht weit. Sei es mit einem Mikroskop zu Abbes Zeiten oder heute, wenn hochpräzise Spiegel dafür genutzt werden, Gravitationswellen nachzuweisen. Genau für diesen Zweck hatten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Einstein-Teleskop-Projekts Spiegelprototypen bei ZEISS SMT angefragt. Ende September 2024 wurden sie ausgeliefert. Alltäglich ist die Herstellung von Gravitationswellenspiegeln – zentrale Elemente der Gravitationswellendetektoren – auch in Oberkochen nicht: „Es handelt sich um höchst anspruchsvolle Unikate, die die Kolleginnen und Kollegen zusätzlich zu regulären Fertigungsaufträgen produzieren mussten“, sagt Dr. Michael Mundt, Head of DUV Modules & Components.

Auch Norman Niewrzella, Cluster Lead Special Optics, weist auf Herausforderungen des Projekts hin, das Flexibilität, Eigeninitiative und Durchhaltevermögen erforderte. Die Politur der Prototypen war sehr komplex. Ebenso herausfordernd war es, sie in den Fertigungsprozess zu integrieren: Hierfür entwickelte und erprobte das ZEISS SMT-Team aus Entwicklung, Engineering, Fertigung und dem Fachbereich teilweise neue Prozesse.

Ein Gravitationswellendetektor besteht aus zwei kilometerlangen Röhren, in denen Laserstrahlen hin- und herlaufen. Die Röhren sind luftleer gepumpt, um Störungen durch Luftmoleküle zu minimieren, und mit vibrationsgedämpften Spezialspiegeln ausgestattet. Die Laserstrahlen werden auf einen Lichtsensor gelenkt und erzeugen dort ein Hell-Dunkel-Muster. Kommt eine Gravitationswelle vorbei, verändert sich die Länge der Röhren leicht, da sie durch die Gravitationswelle gedehnt oder gestaucht werden. Als Folge verschieben sich die Wellen der Laserstrahlen gegeneinander. Dadurch ändert sich auch das Hell-Dunkel-Muster auf dem Lichtsensor. Der Detektor ist sehr empfindlich und kann die winzigen Veränderungen in der Länge der Röhren und den Verschiebungen der Laserstrahlen messen. Durch die Analyse des Flackerns des Hell-Dunkel-Musters kann der Detektor vorhandene Gravitationswellen erkennen.