Was es braucht, um ein Observatorium der nächsten Generation zu bauen

Wenn man von großen wissenschaftlichen Projekten wie einem riesigen neuen Teleskop oder einem kilometerlangen Teilchenbeschleuniger hört, geschieht das meist im Zusammenhang mit den großen wissenschaftlichen Entdeckungen, die sie gemacht haben. Aber bevor jemand einen großen wissenschaftlichen Durchbruch erzielen kann, muss jemand diese riesigen Anlagen entwerfen und bauen. Und das kann bedeuten, internationale Kooperationen zu bündeln, Stromleitungen zu verlegen und sich extremen Wetterbedingungen zu stellen, nur um den Beton zu gießen.

Von Ratten, die an Glasfaserleitungen kauen, bis hin zu aufblasbaren Zelten, um die 100-Grad-Hitze fernzuhalten – die Wissenschaft kann chaotisch sein, wenn sie auf die reale Welt trifft. Wir haben mit Vertretern von drei aktuellen und kommenden großen Wissenschaftsprojekten gesprochen, um zu erfahren, was nötig ist, um ein karges Stück Fels und Erde in ein Weltklasse-Observatorium zu verwandeln.

Etwas Neues entdecken

Viele große Einrichtungen sind schrittweise Verbesserungen bestehender Projekte, aber manchmal macht die Wissenschaft einen Schritt nach vorne in eine völlig neue Richtung. Dies geschah beim ersten Nachweis von Gravitationswellen, der der Anlage LIGO ( Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ) im Jahr 2015 gelang und für den die Forscher den Nobelpreis für Physik erhielten .

Die Einrichtung, mit der die Erkennung durchgeführt wurde, war ursprünglich eine einfache Version namens Initial LIGO. Es sollte testen, ob es überhaupt möglich ist, die Empfindlichkeit von Detektoren zu erreichen, die zum Nachweis von Gravitationswellen erforderlich sind, und selbst diese „Basisversion“ erforderte jahrzehntelange Planung und Arbeit.

Stefan Ballmer, ein Gravitationswellenexperte an der Syracuse University, der sowohl an der ersten als auch an der fortgeschrittenen Version der Anlage gearbeitet hat, beschrieb den Anstoß für die ursprüngliche Anlage: „Wir glauben, dass wir diese unglaubliche Empfindlichkeit erreichen können, also geben wir möglichst wenig Geld dafür aus.“ beweisen, dass es machbar ist.“

Das erste LIGO war von 2002 bis 2010 in Betrieb; Während dieser Zeit wurden keine Gravitationswellen registriert. Das war jedoch nicht unbedingt ein Misserfolg, denn das Observatorium erreichte tatsächlich die Empfindlichkeit , die für eine Erkennung erforderlich war – etwas, von dem viele Menschen nicht sicher waren, ob es möglich war.

„Wenn die Leute Zweifel an der ganzen Sache hatten, dann nicht, weil sie nicht an die Existenz von Gravitationswellen geglaubt hätten. Sie waren skeptisch hinsichtlich der Leistung, die erforderlich war, um sie zu sehen. Und in diesem Sinne hat Initial LIGO geliefert“, erklärte Ballmer.

So konnten die Forscher die Finanzierung für die Modernisierung der Anlage zum Advanced LIGO sichern, wobei die Arbeiten im Jahr 2008 begannen. Mit verbesserten Detektoren konnte das Observatorium fast sofort eine Entdeckung machen. „Mit Advanced LIGO hatten wir Glück. Und sobald wir die Maschine wirklich eingeschaltet hatten, begannen wir, Ereignisse zu sehen.“

Den richtigen Standort wählen

Eines der größten Probleme bei Großprojekten ist heute der Standort. Bei solchen Projekten handelt es sich in der Regel um große, internationale Kooperationen. Daher müssen Planer einen Standort finden, der sowohl umweltfreundlich ist als auch über eine lokale Regierung verfügt, die bereit ist, das Projekt zu unterstützen.

„Das ist heutzutage die große Herausforderung – eine einzelne Nation kann nicht wirklich Dinge tun, die in der Größenordnung für die nächsten Grenzen erforderlich sind“, sagte Joseph McMullin, stellvertretender Generaldirektor und Programmdirektor der Square Kilometer Array Organization . „Daher sind diese internationalen Kooperationen erforderlich.“

Das Square Kilometre Array ist ein zukünftiges Radioastronomie-Observatorium, das Antennen umfasst, die an zwei Standorten errichtet wurden, einem in Südafrika und einem in Westaustralien. Diese Standorte wurden in erster Linie wegen der größten Sorge für Funkbeobachtungen ausgewählt – Hochfrequenzstörungen. Überall dort, wo Menschen Radiowellen erzeugen, beispielsweise von Mobiltelefonen und Laptops, kann diese Strahlung die schwachen Signale stören, die Astronomen zu erkennen versuchen.

„Die Herausforderung bei unserer Arbeit besteht darin, sehr schwache Quellen durch verschiedene Schirme unserer Atmosphäre und in einigen Fällen sogar durch das interstellare oder intergalaktische Medium zu betrachten und dann die gesamte Systematik unserer Instrumente zu untersuchen – und dann zu versuchen, diese zu kalibrieren.“ raus, damit wir dieses spezifische Signal behalten können“, erklärte McMullin. „Zusätzliche Übertragungen erschweren solche Effekte.“

Das Problem besteht darin, dass Standorte mit geringen Funkstörungen tendenziell auch dünn besiedelt sind, was den Bau schwierig macht. Theoretisch wäre ein Ort wie die Antarktis der perfekte Ort für die Aufstellung eines Radioteleskops – allerdings gibt es Schwierigkeiten beim Bau und bei der Personalbesetzung an einem solchen Ort machen es unpraktisch.

Die beiden für SKA ausgewählten Standorte haben den Vorteil, dass sie über eine gewisse bestehende Infrastruktur verfügen, da sie bereits Teleskope von Partnerinstitutionen beherbergen. Die Bündelung von Teleskopen an geeigneten Standorten trägt dazu bei, die Last zu verteilen, wenn es um Anforderungen wie den Bau von Straßen oder die Verlegung von Strom- und Wasserleitungen geht.

Und das ist alles notwendig, bevor Sie überhaupt mit dem Bau von Strukturen wie Unterkünften und Kantinen für die für den Bau erforderlichen Arbeitskräfte beginnen können. „Wir denken oft, wir bauen ein Observatorium, aber in Wirklichkeit bauen wir Städte“, sagte McMullin.

Die Last teilen

Als Forscher das bevorstehende Vera-Rubin-Observatorium planten, das auf einem Berg namens Cerro Pachón in Chile gebaut wird, hatten sie ähnliche Bedenken. Sie brauchten für ihre Beobachtungen einen Ort mit geringer Wolkendecke und vielen klaren Nächten, wollten aber auch einen Ort mit guter Infrastruktur.

Der von ihnen ausgewählte Berg beherbergt bereits zwei weitere große Teleskope, Gemini und SOAR, sowie weitere kleinere Instrumente und mehr, die sich auf dem nächsten Berg befinden.

„Wir sind sehr abgelegen, aber nicht isoliert“, erklärte Jeff Barr, Telescope & Site Project Manager am Rubin Observatory. „Wir haben Nachbarn, und die Nachbarn brauchten Infrastruktur, die sie bereits gebaut hatten.“

Das bedeutete, dass Strom und Wasser bereits in der Nähe verfügbar waren, ebenso wie die wichtigen Straßen, die den Bautrupps und der Ausrüstung den Aufstieg auf den Berg ermöglichten. Es gab auch eine bestehende Kommunikationsinfrastruktur, bei der es sich um ein antennenbasiertes Rundfunksystem handelte, aber das hätte für die riesigen Datenmengen, die Rubin jede Nacht produzieren wird, nicht ausgereicht.

Also stimmte Rubin zu, Glasfaserleitungen für die Kommunikation zu verlegen, die nicht nur seinem eigenen Observatorium, sondern auch den anderen auf dem Berg dienen würden. Die Observatorien sind Teil desselben Konsortiums namens AURA (Association of Universities for Research in Astronomy) und teilen sich daher die Infrastruktur.

„Es gibt eine Art Buy-In, das jedes neue Observatorium leistet“, sagte Barr. „Es bietet etwas, das es so noch nicht gab, Sie teilen sich also die Kosten und Investitionen, die für die Arbeit am Berg erforderlich sind.“

Den Grundstein legen

Man könnte sich vorstellen, dass es eine einfache Sache wäre, eine Glasfaserleitung zu verlegen – nicht viel anders als bei den Unternehmen, die in vielen städtischen Gebieten zunehmend Glasfaseranschlüsse für Privathaushalte anbieten. Das Bauen an einem so abgelegenen Ort bringt jedoch einige Herausforderungen mit sich.

Überall im Tal hingen bereits Stromleitungen an Masten, sodass die Teams dieselben Masten zum Aufhängen der Glasfaserleitungen nutzen konnten. Aber nachdem die Leitung für Rubin und die anderen Observatorien aufgeteilt wurde, muss sie größtenteils unter der Erde verlaufen.

„Eine der Herausforderungen bei der Arbeit an diesem Berg besteht darin, dass er, sobald man mit dem Graben beginnt, in einer Tiefe von fünfzehn Zentimetern fester Fels ist. Sehr solide“, sagte Barr. „Man muss es praktisch sprengen, um ein Loch beliebiger Größe zu machen.“

Das erschwert das Pressen mit Presslufthämmern, da das Seil oft so tief wie möglich verlegt wird und dann Steine ​​darüber aufgetürmt werden. Dieser Felsen bietet einen gewissen Schutz, aber die Leitung ist immer noch anfällig für die örtliche Nagetierpopulation, die regelmäßig an den Kabeln nagt. „Wir haben ständig Schädlingsbekämpfungsdienste, aber selbst dann müssen wir immer noch eingreifen und Reparaturen durchführen, wenn eine Leine kaputt ist.“

Barr sagte, dass hungrige Nagetiere ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit in einer so wilden Umgebung seien: „Das ist ganz natürlich. Abgesehen von den Bereichen rund um die Observatorien ist es so ziemlich nur der Berg.“

Die Observatorien arbeiten nach Richtlinien, um die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren, einschließlich der Lebensräume einiger bedrohter Arten von Kakteen und Viscachas, seltenen (und äußerst niedlichen) kaninchenähnlichen Nagetieren, die in der Gegend leben.

Die Auswirkungen auf das Erbe

Erhaltungsbedenken beziehen sich jedoch nicht nur auf Umweltthemen. Einige der als Observatorien genutzten Standorte sind für den Menschen von historischer Bedeutung. Der SKA-Standort in Westaustralien beispielsweise liegt im Wajarri Country. Die Wajarri Yamaji sind die traditionellen Eigentümer des Landes, auf dem das Teleskop gebaut wird. Daher arbeitet die Organisation mit den Wajarri zusammen, um sicherzustellen, dass das kulturelle Erbe geschützt wird, indem sie beispielsweise vor Ort Besichtigungen mit Wajarri-Kulturerbemonitoren vor dem Spatenstich und fortlaufende Überwachung durchführt während der Konstruktion.

„Das sind unsere Kollegen und Nachbarn, und sie sind auf grundlegender Ebene Teil des Teams. Viele von ihnen nehmen bei uns Stellung, um das Observatorium zu bauen“, sagte McMullin. „Sie haben auch eine starke Geschichte und ein Erbe der astronomischen Beobachtung. Es geht also darum, diese Dinge über die verschiedenen Techniken, die man verwendet, miteinander zu verknüpfen.“

Es werden auch die langfristigen Auswirkungen sowohl der australischen als auch der südafrikanischen Standorte berücksichtigt, die schließlich stillgelegt werden sollen, damit das Land in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden kann.

„Wir planen, dass dies ein 50-jähriges Observatorium wird“, sagte McMullin. „Also gehst du dorthin, baust, recherchierst und nimmst es dann außer Betrieb. Sie versetzen diesen Bereich wieder in den gleichen Zustand, in dem er sich befand.“

Bauen in einem schwierigen Umfeld

Ob Temperaturen über 100 Grad Fahrenheit in Westaustralien oder starke Winde und Erdbebenrisiken am Cerro Pachón – die Standorte, an denen Sie ein Observatorium errichten möchten, sind oft nicht gerade baufreundlich.

Der Zugang zum Berg in Chile kann im Winter, wenn es schneit, wochenlang gesperrt sein, und selbst wenn er zugänglich ist, dauern die Arbeiten aufgrund der Bedingungen länger als anderswo.

„Man muss verstehen, dass die Dinge nicht so schnell gehen werden, wie man es erwartet“, sagte Barr. „Es ist eine feindselige und unwillkommene Umgebung, wenn man versucht, einen technischen Job zu machen. Das muss man praktisch bei allem, was man entwirft, berücksichtigen.“

In Australien müssen die SKA-Teams mehr als 100.000 Antennen an vielen verschiedenen Standorten installieren. Daher bewältigen sie die hohen Temperaturen und die hohe UV-Strahlung, indem sie so viel wie möglich von der Installation außerhalb des Standorts vorbereiten. Wenn sie vor Ort ankommen, nutzen sie speziell entwickelte aufblasbare, klimatisierte Zelte, um sie während der Arbeit vor den Elementen zu schützen.

Aber auch Orte, die nicht so rau sind, haben ihre Herausforderungen. Für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren müssen die Konstrukteure sehr gerade, sehr flache Röhren mit einer Länge von 25 Meilen verlegen.

„Es ist ironisch, dass der größte Teil des Detektors absolut nichts ist“, sagte Ballmer. „Es ist eine 40 Kilometer lange Vakuumröhre, und die muss man irgendwo unterbringen.“

Für die in den USA geplanten Detektoren besteht die Idee darin, diese überwiegend oberirdisch zu betreiben, da dafür ausreichend Platz vorhanden sein sollte. In Europa, wo ebenfalls ein weiterer Gravitationswellendetektor geplant ist, gibt es jedoch nicht genügend Land an der Oberfläche, um einen oberirdischen Detektor zu betreiben, sodass er wahrscheinlich unterirdisch verlegt werden muss. Das erhöht den Bauaufwand, macht aber auch die Wartung deutlich komplizierter.

„Wir streben nach Einfachheit“, sagte Ballmer. „Der Bau dieser Detektoren ist schon kompliziert genug! Alles, was wir einfach halten können, ist besser.“

Der Faktor Mensch

Maschinen und Geräte auf die Baustelle zu bringen ist eine Sache, aber selbst mit allen Werkzeugen der Welt müssen die Bauarbeiten immer noch von Menschen durchgeführt werden. Bei Rubin konnte während der Bauarbeiten täglich ein Team von über 100 Arbeitern vor Ort sein. „Ich denke, die Belastung der Arbeitskräfte – der menschliche Faktor – ist genauso herausfordernd wie alles andere“, sagte Barr. „Es ist einfach ein so schwieriges Umfeld.“

Die Arbeiter müssen sich nicht nur mit den kalten, windigen, staubigen und hochgelegenen Bedingungen auf dem Gipfel eines Berges auseinandersetzen, sondern es dauert auch mehrere Stunden, bis sie zum Einsatzort gelangen, sodass viele täglich zwölf Stunden außerhalb der Baustelle verbringen Zuhause, Abfahrt um 6 Uhr morgens „Es sind wirklich die Menschen, die für mich am erstaunlichsten sind“, sagte Barr. „Sie können dort oben in diesem Umfeld arbeiten und diese schwierigen Dinge erledigen.“

Bei Projekten dieser Art dauert es Jahrzehnte, bis sie von der Konzeption über den Entwurf und den Bau bis hin zur Inbetriebnahme eines funktionierenden Observatoriums reichen. Daher ist es durchaus möglich, dass die Menschen, die ursprünglich auf den Bau gedrängt haben, bereits im Ruhestand sind, wenn sie mit der Wissenschaft beginnen. Dies ist jedoch nicht unbedingt ein Problem, da frühere Generationen Werkzeuge für die neuen Generationen von Wissenschaftlern entwickeln und weitergeben, die gerade ihre Karriere beginnen.

Dieses Gefühl der Verpflichtung gegenüber der Zukunft sei Teil der Motivation für den Bau neuer Gravitationswellendetektoren, sagte Ballmer, aber es mache auch Freude, darüber nachzudenken, wie so etwas erreicht werden könnte.

„In gewisser Weise ist es ein Dienst für die nächste Generation von Physikern“, sagte Ballmer. „Aber wenn man sich hinsetzt und sieht, was mit diesen Maschinen möglich ist – dass man etwas bauen kann, das jedes Schwarze Loch bis hin zu den allerersten Sternen sieht, dass man Phänomene von Objekten in Sterngröße beobachten kann, die sich sogar in diesen Galaxien befinden.“ Das Webb-Teleskop hat Probleme bei der Lösung – es nicht zu versuchen, wäre fast ein Verbrechen.“