GEO600

GEO600

GEO600 ist ein Gravitationswellen-Detektor und ein zentrales Technologie-Entwicklungszentrum der internationalen Gravitationswellen-Forschungsgemeinschaft. Die im Rahmen des GEO-Projekts entwickelten und getesteten Technologien werden heute in allen großen Gravitationswellendetektoren der Welt eingesetzt.

GEO600 ist ein interferometrischer Gravitationswellendetektor in der Nähe von Hannover, Deutschland. Er wird von Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und der Leibniz Universität Hannover zusammen mit Partnern im Vereinigten Königreich entwickelt und betrieben und von der Max-Planck-Gesellschaft und dem Science and Technology Facilities Council (STFC) finanziert.

GEO600 ist Teil eines weltweiten Netzwerks von Gravitationswellen-Detektoren. Zwei dieser Detektoren befinden sich in den USA (LIGO), und jeweils einer in Italien (Virgo) und Japan (KAGRA). Wisssenschafter von  GEO600 und LIGO arbeiten im Rahmen der LIGO Scientific Collaboration (LSC) zusammen. GEO600-Forscher haben gemeinsam mit dem Laser Zentrum Hannover (LZH) die Laser für Advanced LIGO gebaut.

Das GEO600-Projekt arbeitet mit dem Ziel der direkten Messung von Gravitationswellen mittels eines Laserinterferometers mit einer Armlänge von 600 Metern. Gravitationswellen sind winzige Kräuselungen der Raumzeit, die von astrophysikalischen Ereignissen wie Supernovae oder verschmelzenden Neutronensternen und schwarzen Löchern erzeugt werden. Sie wurden bereits 1916 von Albert Einstein vorhergesagt. Am 14. September 2015 bestätigte der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen Einsteins Vorhersage und ermöglichte einen faszinierenden und einzigartigen Einblick in eine bislang unzugängliche Schattenwelt des Universum.

GEO600 High-Tech

Die Wissenschaftler von GEO600 haben die verfügbaren Technologien an ihre Grenzen getrieben: Laserstabilisierung, absorptionsfreie Optik, automatische Kontrolle, Schwingungsdämpfung, Datenaufnahme und Datenauswertung. Eine Spezialität von GEO600 ist die Verstärkung von Laserlicht und Signal, "dual recycling" genannt: Durch hochreflektierende Spiegel wird das Laserlicht konstruktiv mit sich selbst überlagert und so verstärkt ("power recycling"); andererseits wird das Ausgangssignal durch einen zusätzlichen Spiegel ebenfalls mit sich überlagert ("signal recycling"). Diese Technik erlaubt ein Abstimmen des Detektors auf eine bestimmte Frequenz. Die Aufhängung der Spiegel an Glasfasern ist eine weitere der vielen grundlegenden Entwicklungen von GEO600. GEO600 ist außerdem der erste Gravitationswellendetektor, der gequetschtes Licht zur Steigerung der Empfindlichkeit verwendet.

Gequetschtes Licht

Die Empfindlichkeit von GEO600 hat nun die natürlichen Grenzen erreicht. Bei Frequenzen um 1000 Hertz - genau dort wo Signale von Supernovae und der Geburt von Neutronensternen erwartet werden - kommt die Quantennatur des Lichts ins Spiel. Wie abgefeuerte Schrotkugeln werden die individuellen Photonen den Detektor unregelmäßig erreichen. Diese Quantenfluktuationen stammen aus der Unschärfe-Relation. Der "shot noise" wird sich als fluktuierendes Hintergrundsignal darstellen, das das erwartete kurze Gravitationswellensignal von dem Ereignis vollständig überdecken kann. Die Wissenschaftler von GEO600 haben dieses unerwünschte Signalrauschen gezähmt, indem sie die Fluktuationen manipuliert und etwas produziert haben, das "gequetschtes Licht" genannt wird. GEO600 wurde Mitte 2010 mit einer Quelle gequetschten Lichts ausgestattet und wurde seitdem unter Betriebsbedingungen getestet. GEO600 benutzt jetzt zwei Laser: den Standardlaser mit einer Leistung von etwa 10 Watt und den neuen Quetschlichtlaser, der nur ein paar verschränkte Photonen pro Sekunde hinzufügt, aber die Empfindlichkeit von GEO600 deutlich verbessert

Ein hochstabiler Laser

In enger Zusammenarbeit von AEI und LZH wurde ein neuer Typ von Hochleistungslaser für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren entwickelt. Diese neuen Laser wurden in das „Advanced LIGO“-Projekt eingebaut. Sie liefern 200 Watt Leistung bei einer Wellenlänge von 1064 Nanometern. Ihre unübertroffene Stabilität sowohl in der Ausgangsleistung als auch in der Frequenz ermöglicht die hohe Empfindlichkeit der neuen Generation von Gravitationswellendetektoren.

Monolithische Aufhängungen

Die zentralen Elemente in allen Gravitationswellendetektoren sind bis zu 10 Kilogramm schwere Spiegel, um die Laserstrahlen zu lenken. Diese Spiegel sind als Pendel aufgehängt, um sie von diversen Störungen zu isolieren. Die Spiegelaufhängungen müssen spezielle Bedingungen erfüllen: Sie müssen die schweren Spiegel sicher halten und dürfen selbst keine Störungen einführen. Das Institute for Gravitational Research (IGR) der Universität Glasgow hat Aufhängungen entwickelt, die diese Anforderungen erfüllen: dünne Fasern gezogen aus Quarzglas. Solche Fasern haben weit weniger interne Verluste als zum Beispiel gleichartige Stahldrähte. Sie werden direkt mit den Spiegeln und einer zweiten Pendelmasse verbunden, so dass keine Reibung am Kontaktpunkt entsteht („bonding“). Dies erhöht die Gesamtempfindlichkeit von GEO600 durch weniger mechanische Verluste.

LIGO: A discovery that shook the world - Folge 3: „Mirrors that hang on glass threads“

Advanced LIGO Documentary Project

LIGO: A discovery that shook the world - Folge 3: „Mirrors that hang on glass threads“

Aktuatoren

Viele der Störungen in einem Gravitationswellendetektor sind seismisch bedingt. Sie machen sich besonders im Frequenzbereich unter 100 Hertz bemerkbar. Um ihren Einfluss zu reduzieren, haben die Glasgower Wissenschaftler ein mehrstufiges Pendelsystem entwickelt, das diese Störungen dämpft. Damit können sie äußere Vibrationen um neun Größenordnungen reduzieren. Zusätzlich werden die einzelnen Komponenten des Pendels durch elektromagnetische oder elektrostatische Aktuatoren angesteuert, um das Restrauschen zu reduzieren. Daher wirft nur ein Erdbeben der Stärke 6 oder größer auf der Richter-Skala, irgendwo auf der Welt, den Gravitationswellendetektor aus dem Gleichlauf. Insgesamt 260 Kontrollsysteme werden benötigt, um die Spiegel zurück in den Gleichlauf zu bringen, sie dort zu halten und äußere Vibrationen des Systems zu dämpfen.

Abstimmbares Signal-Recycling

GEO600 ist der einzige Detektor, der das Ausgangssignal des Laserstrahls verstärkt. Ein spezieller Spiegel vor dem Ausgang des Interferometers reflektiert den Strahl zurück, so dass der Teil des Laserstrahls, der das erwartete Gravitationswellensignal enthält, verstärkt wird. Dieser Prozess wird wiederholt, bis das Signal zehnmal stärker ist. Der Signal-Recycling-Spiegel von GEO600 verstärkt das Signal in einem breiten Frequenzbereich. Diese Methode ist einer der Hauptgründe dafür, warum GEO600 bei hohen Frequenzen eine ähnliche Empfindlichkeit besitzt wie Virgo, trotz der kleineren Armlänge. Advanced LIGO nutzt diese Technik bereits und auch Virgo wird diese Methode ebenfalls einsetzen, um die Messempfindlichkeit zu steigern.

Der erste direkte Nachweis

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler Kräuselungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, beobachtet, die – ausgelöst von einem Großereignis im fernen Universum - die Erde erreichten. Diese Beobachtung bestätigt die Vorhersage Einsteins und öffnet gleichzeitig ein vollkommen neues Fenster zum Kosmos.

Die Gravitationswellen wurden am 14. September 2015 9:51 Uhr Weltzeit von beiden identischen Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO)-Detektoren in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) in den USA registriert.

Gravitationswellen tragen Information über ihre turbulente Entstehung und das Wesen der Gravitation. Sie sind auf keine andere Weise zugänglich. Die beobachteten Gravitationswellen wurden während des letzten Sekundenbruchteils der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern ausgesendet. Dabei entstand ein einzelnes, massereicheres, rotierendes schwarzes Loch. Diese Kollision von zwei schwarzen Löchern war zuvor vorhergesagt, aber noch nie beobachtet worden.

Zur Redakteursansicht