Einstein-Teleskop: So wollen Wissenschaftler die Erschütterungen des Erdreichs herausfiltern
Ein gigantisches Observatorium soll künftig in den Tiefen des Erdreichs Gravitationswellen erfassen – Signale aus den frühesten Zeiten des Kosmos. Wissenschaftler entwickeln dafür eine KI, die störende Erdbewegungen unmittelbar herausrechnen soll.
Gravitationswellen sind winzige, sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitende Veränderungen der Raumzeit. Sie entstehen, wenn sich massereiche Objekte beschleunigen, zum Beispiel wenn Schwarze Löcher oder Neutronensterne einander umkreisen bzw. verschmelzen.
Im Jahr 1916 hatte Albert Einstein bereits vorausgesagt, dass sich bei Gravitationswellen die Entfernungen kaum messbar dehnen und zusammenziehen müssen. Im Jahr 2015 wurden die Wellen dann erstmals direkt nachgewiesen.
„Gravitationswellen sind unsichtbar und gleichzeitig können wir damit in die Zeit zurückblicken, in der es noch gar kein Licht im Universum gab“, erklärt Prof. Dr. Ingo Elsen, Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der FH Aachen, die wissenschaftliche Bedeutung der Untersuchungen.
Unterirdisches Observatorium geplant
Das Einstein-Observatorium soll künftig Europas empfindlichstes Observatorium für Gravitationswellen werden. Der vielversprechendste Standort für das unterirdische Observatorium ist das Grenzgebiet zwischen den Niederlanden, Belgien und Deutschland, weil der Oberboden dort besonders weich ist und daher die menschliche Aktivität besonders gut gedämpft wird.
Die drei je zehn Kilometer langen Arme sollen 250 bis 300 Meter unter der Erdoberfläche liegen und ein gleichseitiges Dreieck bilden. Die Detektorarme erfassen Gravitationswellen, indem sie mit Lasern und Spiegeln ständig die Länge des Raums überwachen. Wenn sich die Länge in einem bestimmten Muster verändert, handelt es sich um eine Gravitationswelle.
Denn selbst tief unter der Erde bleibt die Umgebung nicht ruhig. Erdbeben, Lastwagen oder Windräder erzeugen Vibrationen, die sich mit den kosmischen Signalen überlagern. Dieses sogenannte Newtonsche Rauschen kann Messungen erheblich erschweren. Die FH Aachen will deshalb mittels künstlicher Intelligenz die extrem schwachen Gravitationswellen aus dem irdischen Störlärm herausfiltern.
„Die Wirkung kann man sich vorstellen wie bei Noise-Cancelling-Kopfhörern“, sagt Elsen. „Störende Hintergrundvibrationen werden live herausgefiltert und es bleibt das übrig, was man wirklich haben möchte.“ Relevante Signale könnten dadurch unmittelbar erkannt und gespeichert werden, während uninteressante Daten nicht erst aufwendig geprüft und archiviert werden müssten.
KI auf programmierbaren Chips
Klassische mathematische Verfahren würden wegen der schwer vorhersehbaren Störungen nicht ausreichen. Auch herkömmliche KI sei für die erforderliche Geschwindigkeit ungeeignet. „Klassische KI-Rechner, wie sie momentan überall für KI-Sprachmodelle errichtet werden, sind nicht schnell genug“, so Elsen. Deshalb setzt das Projekt auf Field Programmable Gate Arrays, kurz FPGA. Die programmierbaren Chips sollen das KI-Modell direkt ausführen.
„Wir müssen für unser Ziel nun gute, aber möglichst kompakte Modelle entwickeln, damit eine Datenverarbeitung in Echtzeit möglich wird“, sagt Elsen. Über die Astrophysik hinaus könnte sich die Forschung auch auf andere Aufgaben ausweiten lassen. Denkbar wären Anwendungen an Fahrzeugstoßdämpfern oder in der Medizintechnik, wo Vibrationen während Knochenoperationen reduziert werden könnten.
An dem dreijährigen Forschungsprojekt, das im Herbst startet, sind neben der FH Aachen auch Kooperationspartner wie die RWTH Aachen, das Forschungszentrum Jülich und die Universität Siegen beteiligt. Über den Standort und die technische Konfiguration des Einstein-Teleskops soll im kommenden Jahr entschieden werden. Der Bau soll bis 2035 weitgehend abgeschlossen sein.