Auf der Suche nach Spitzentönen: Europäische Gravitationswellen-Detektoren messen erstmals gemeinsam in höheren Frequenzbereichen

Test neuer Technologien

5. August 2011

Wissenschaftler der beiden europäischen Gravitationswellen-Observatorien GEO600 (Deutschland/Großbritannien) und Virgo (Italien) haben mit einer gemeinsamen Messkampagne begonnen, die bis September 2011 andauern wird. Während dieses so genannten Science Runs messen beide Observatorien erstmals gemeinsam in höheren Frequenzbereichen. Gleichzeitig werden Technologien für die zweite Generation der Gravitationswellendetektoren getestet. Für Virgo ist es der letzte Science Run vor dem Umbau zu einem Gravitationswellen-Detektor der nächsten Generation, zu Advanced Virgo.

Trotz unterschiedlicher Armlängen von 600 m bei GEO600 und 3000 m bei Virgo, erreichen beide Detektoren aufgrund innovativer Detaillösungen im Bereich von 1kHz bis 6kHz inzwischen die gleiche Empfindlichkeit . Sie könnte ausreichen, um Gravitationswellen von Sternenexplosionen zu messen.

Der direkte Nachweis der von Albert Einstein vorausgesagten Gravitationswellen - winzigen Verzerrungen der Raumzeit - gehört zu den wichtigsten offenen Fragen der modernen Wissenschaft. Ihre direkte Beobachtung wird die Ära der Gravitationswellenastronomie einläuten und vollkommen neue Einblicke in unser Universum ermöglichen. Man wird, so hoffen die Wissenschaftler, beispielsweise zurück bis in die erste Billionstel Sekunde des Universums sehen und viele Rätsel über die Entstehung des Universums lösen können. Bisherigen Beobachtungsmethoden blieben diese Einsichten verwehrt.

„Vergleicht man die Empfindlichkeiten von GEO600 und Virgo, sieht man sehr gut, dass beide Detektoren in einem Frequenzbereich ab ca. 600 kHz und höher eine vergleichbare Messempfindlichkeit erreichen.“ sagt Dr. Hartmut Grote, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI ). „ Für uns ist es deshalb sehr interessant, jetzt in diesem Bereich mit Virgo zusammen nach möglichen Gravitationswellen von Supernova - Explosionen oder Gammastrahlen - Ausbrüchen zu suchen.“

Die Wissenschaftler vermuten, dass Gammastrahlen-Ausbrüche z.B. von sich umkreisenden und miteinander verschmelzenden Neutronensternen oder schwarzen Löchern stammen könnten. Diese würden starke Gravitationswellen aussenden und sind damit interessante bekannte Referenzen für die Gravitationswellen-Suche. Die erwarteten Frequenzen hängen von der Masse der Objekte ab und können sich bis in den kHz-Bereich erstrecken. Die Signalstärke nimmt allerdings mit zunehmender Frequenz ab. Die Häufigkeit potentieller Messungen hängt daher stark von der Empfindlichkeitskurve der beiden Detektoren ab.

Signale vom Vela-Pulsar?
Virgo wird während des Science Runs auch nach Signalen des Vela-Pulsars suchen, dem Überrest einer großen Supernova-Explosion. Er sendet regelmäßige Pulse elektromagnetischer Strahlung aus – und zwar in Frequenzbereichen von Gamma-Strahlung bis zu Radiowellen. Seine Gravitationswellen-Frequenz liegt bei etwa 20Hz und könnte in diesem Science Run nur von Virgo wahrgenommen werden.

Nach Abschluss des gemeinsamen Science Runs
wird Virgo bis etwa 2014/2015 in die Umbauphase gehen. GEO600 wird in dieser Zeit als einziges laser-interferometrisches Gravitationswellen-Observatorium weltweit die Stellung halten – zusammen mit den italienischen Niedrigtemperatur- und Resonanz-Detektoren. In dieser Zeit können Gravitationswellen von kosmischen Ereignissen gemessen werden, die gleichzeitig von anderen Teleskopen, beispielsweise Gammastrahlen- oder Röntgen-Satelliten, beobachtet werden.

GEO600 als Prototyp und Observatorium

GEO600 hat mit seinen im Vergleich zu Virgo und LIGO deutlich kürzeren Armen die Wissenschaftler immer wieder zu Höchstleistungen angespornt. Auf diese Art und Weise wurden Technologien entwickelt, die heute auch in anderen Gravitationswellen-Observatorien eingesetzt werden und für eine höhere Empfindlichkeiten und stabile Messungen sorgen.

„ Im Bereich hoher Frequenzen sind wir besonders empfindlich“, sagt Hartmut Grote dazu. „Wir haben dies u.a. mit einer um 50% höheren Laser-Leistung geschafft. Der wesentliche Schritt ist aber der Einsatz von dem, was wir gequetschtes Licht oder auch Squeezing nennen. Wir haben es im vergangenen Jahr in GEO600 eingebaut und testen es nun erstmals in einem offiziellen Science Run.“

Viele der neuen Technologien für die Detektoren der nächsten Generation wurden und werden in GEO600 entwickelt und getestet. Dazu gehören das

  • „Signal Recycling“, eine Technologie zur Verstärkung des Gravitationswellensignals,
  • Monolithische Aufhängungen (spezielle Glasfasern) der optischen Spiegel, die thermisch bedingte Messungenauigkeiten stark reduzieren,
  • sowie elektrostatische Aktuatoren (Electro-Static actuators), die die Spiegel der Laserinterferometer am optimalen Arbeitspunkt halten und geringere Störungen verursachen als die bisher verwendeten elektromagnetischen Aktuatoren. 

GEO600: Das deutsch-britische Observatorium ist in der Nähe von Hannover angesiedelt und wird von Forschern des AEI 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 3 recherche scientifique) und INFN (Istituto Nazionale de Fisica Nucleare) finanziert.

Hintergrundinformationen

Der Gravitationswellendetektor GEO600

Mit GEO600 lassen sich schon heute Längenänderungen von weniger als einem Tausendstel des Protonendurchmessers, also etwa 10-18 m messen. Das entspricht einer Genauigkeit von 18 Stellen nach dem Komma. Attometer ist der Name für diese Größe. Hier wird in einem Bereich gearbeitet, der 1000mal kleiner ist als eines der kleinsten bekannten Bestandteile unserer Welt.

Die nächste Generation der Gravitationswellendetektoren wird noch deutlich empfindlicher sein.

Vom Prototypen zum Observatorium

Was vor vielen Jahren mit der Idee begann, die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen, diese winzigen aber hoch interessanten Störungen der Raumzeit, mit einem Laserinterferometer nachzuweisen, steht heute kurz vor dem Durchbruch. Den Wissenschaftlern ist es gelungen, aus einer Technologie, die zunächst nur für einen Prototypen mit einer Armlänge von 30 Metern entwickelt wurde, Observatorien zu bauen, die im Falle von GEO600 rund 20mal so groß sind. Die amerikanischen LIGO-Detektoren sind sogar mehr als 100mal größer. Vergrößert wurden die Systeme, um sie empfindlich für die messbaren Signale aus unserer weiteren galaktischen Nachbarschaft zu machen: Da die Signalstärke mit der Entfernung zur Gravitationswellenquelle abnimmt, muss man weit hinaushorchen können, um genügend potentielle Quellen von Gravitationswellensignalen erreichen zu können.
Die Konzepte größerer Detektoren und die Notwendigkeit einer höheren Empfindlichkeit brachten extreme Herausforderungen mit sich. Als Antwort darauf wurden zahlreiche neue Technologien, darunter die stabilsten Laser der Welt, entwickelt. Zwar wurden die Systeme komplexer; in ihren Datenläufen bewiesen sie jedoch immer wieder ihre Zuverlässigkeit.

GEO600 hat sich dabei in den vergangenen Jahren zu einer internationalen Denk- und Experimentierfabrik für die experimentelle Gravitationswellenforschung entwickelt. Diese Tatsache wird allein daran deutlich, dass der Detektor heute tausend Mal genauer ist als der erste Prototyp eines Gravitationswellen-Interferometers. Aus dem GEO-Projekt kommen Schlüsseltechnologien, die heute im gesamten Netzwerk der Gravitationswellenobservatorien eingesetzt werden.

Neue Technologien – bis an die Grenzen der Naturgesetze

Zu diesen Schlüsseltechnologien gehören unter anderem hochstabiles Laserlicht, ein an Dreifachpendeln aufgehängtes Spiegelsystem sowie eine optische Methode, die das Laserlicht recycelt. Sie wurden in enger Zusammenarbeit des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) und der Leibniz Universität Hannover mit dem Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) bzw. der University of Glasgow in Schottland entwickelt.

  • Hochstabile Laser
    Die langjährige Erfahrung der Hannoveraner Wissenschaftler auf dem Gebiet der Laserentwicklung macht sich nun auch international bezahlt: In enger Kollaboration von AEI und LZH wurden neue Hochleistungslaser für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren konzipiert. Der erste Laser dieser Art wird gerade im US-amerikanischen LIGO-Projekt installiert. Das besondere an diesem Laser: Er besitzt eine Leistung von 200 W bei einer Wellenlänge von 1064 nm. Seine bisher unerreichte Stabilität von Leistung und Frequenz wird die hochpräzisen Messungen der neuen Gravitationswellendetektoren erst ermöglichen.

  • Neues Licht – ruhiger als jemals zuvor
    Die Messempfindlichkeit von GEO600 hat inzwischen die Grenzen der Naturgesetze erreicht: Bei Frequenzen im Bereich von 1000 Hertz, gerade dort wo Signale von Supernova-Explosionen oder entstehenden Neutronensternen zu erwarten sind, macht sich in der Messapparatur die Quantennatur des Lichts bemerkbar. Ähnlich wie Schrotkugeln prasseln nämlich die Photonen eines Lichtstrahls in unregelmäßigen Zeitabständen auf den Detektor. Am Messausgang erzeugt dieses sogenannte Schrotrauschen einen störenden Hintergrund, von dem sich ein schwaches, zeitlich entsprechend kurzes Gravitationswellensignal praktisch nicht abhebt.
    Den Wissenschaftlern in Hannover ist es gelungen, dieses störende Lichtsignal mit der Technologie des „gequetschten Lichts“ zu bändigen und den Effekt des Schrotrauschens zu reduzieren. Seit Mitte 2010 ist eine solche Quelle gequetschten Laserlichts bei GEO600 erstmalig in einem Gravitationswellendetektor eingebaut. Jetzt wird sie dort getestet.

  • Monolithische Aufhängungen
    Monolithisch heißt eigentlich „aus einer einzigen Materialart bestehend”. Zentrale Elemente aller Gravitationswellendetektoren sind bis zu 40 kg schwere Spiegel, an denen die Laserstrahlen geteilt werden. Diese Spiegel sind wie Pendel aufgehängt und so gegen verschiedene Störungen isoliert. An die Spiegelaufhängung werden daher ganz besondere Anforderungen gestellt – sie müssen den schweren Spiegel sicher halten und dürfen selbst keinerlei Störungen verursachen.
    Am Institute for Gravitational Research (IGR) der University of Glasgow wurden entsprechende Aufhängungen entwickelt: dünne Fäden aus Quarzglas. Sie zeichnen sich durch einen sehr viel geringeren Reibungswiderstand als beispielsweise dünne Stahldrähte aus. Außerdem ist die Glasfaser direkt mit dem Spiegel und einer zweiten Pendelmasse verbunden, so dass an diesen beiden Punkten keine Reibungsflächen bestehen. Das ist für die Messungen von Vorteil, denn reduzierte mechanische Verluste verbessern die Empfindlichkeit.

  • Gut ausgependelt – Aktuatoren
    Eine ganze Reihe störender Einflüsse auf Gravitationswellendetektoren sind seismischer Natur. Sie erschweren vor allem die Messungen bei niedrigen Frequenzen unterhalb von 100 Hz. Um diese zu reduzieren, haben Wissenschaftler des IGR an der University of Glasgow eine spezielle Pendelaufhängung entwickelt, die es ermöglicht, Störungen effizient zu unterdrücken. Dazu zunächst eine Erklärung aus dem Alltag:
    Ein einfach aufgehängtes Pendel gerät auf seiner Resonanzfrequenz leicht in Schwingung.
    Das lässt sich ganz gut selber ausprobieren: Ein schwerer Gegenstand – zum Beispiel ein Stein – an eine Schnur gebunden, fertig ist das Pendel. Führt man nun dem Pendel Energie zu, indem man das obere Ende der Schnur zunächst langsam hin- und her bewegt, beginnt es, rhythmisch zu wackeln. Am stärksten wird das Pendel ausschlagen, wenn es im Takt seiner Eigenfrequenz angeschubst wird. Liegt die Frequenz der Energiezufuhr dagegen oberhalb der Resonanzfrequenz, bewegt sich das Pendel nur schwach oder gar nicht. Hängen mehrere Pendel übereinander, lassen sie sich nur noch bei den Eigenfrequenzen dieser Kombination anregen.
    Zurück zum Gravitationswellendetektor: Die Spezial-Spiegel in den Detektoren sind als Mehrfachpendel aufgehängt, um seismische Störungen über einen möglichst breiten Frequenzbereich zu minimieren. Durch die mechanische Filterwirkung des Pendels lassen sich äußere Einflüsse passiv bis um neun Zehner-Potenzen minimieren. Zusätzlich werden die einzelnen Pendelkomponenten mit Aktuatoren durch elektromagnetische bzw. elektrostatische Kräfte gezielt angesteuert. Restliche, bei den Resonanzfrequenzen erzeugte oder auch interne Störungen lassen sich damit aktiv dämpfen. Dabei werden an der obersten Pendelstufe zunächst die niedrigsten Frequenzen bis 1 Hz unterdrückt, an der mittleren Komponente dann die Frequenzen unterhalb von 10 Hz und am Spiegel selbst Störungen im Bereich bis 100 Hz. Der Spiegel kann so in seine Arbeitsposition gebracht und in dieser in Ruhe gehalten werden.
    Gegen Erdbeben ab Stärke sechs auf der Richterskala, auf welchem Erdteil auch immer sie sich ereignen, ist der Gravitationswellendetektor dennoch nicht gefeit. Dann gerät er völlig aus dem Takt und die Spiegel müssen neu justiert werden. Bis GEO600 danach wieder ins All horchen kann, dauert es aber nur wenige Minuten. Insgesamt 260 Regelkreise sind notwendig, um die Spiegel auszurichten, in Position zu halten und externe Schwingungen zu dämpfen.

  • Verstärktes Signal des Laserstrahls / Tuned Signal Recycling
    Einzig am GEO600-Detektor wird das Signal des Laserstrahls verstärkt. Ein spezieller Signalrecycling-Spiegel am Detektorausgang reflektiert das Ausgangssignal zurück in das Interferometer und verstärkt damit den Anteil des Laserlichts, der das zu erwartende Gravitationswellensignal enthält. Dieser Prozess wird so oft wiederholt, bis das ursprüngliche Signal um das Zehnfache verstärkt ist. Das Signal Recycling ist eine spezielle GEO-Technologie, die die Nachteile der im Vergleich zu LIGO und Virgo kurzen Laserarme um ein Vielfaches wett macht und bislang ausschließlich bei GEO600 genutzt wird.
    Mit dem bisher verwendeten Signal-Recycling-Spiegel ließen sich nur eingegrenzte Frequenzbereiche etwa um 500 Hz oder 1 kHz verstärken, abhängig von der Spiegelposition. Ein neuer Signal-Recycling-Spiegel verstärkt den Signalstrahl nun in einem breiteren Frequenzbereich. Diese Technologie trägt wesentlich dazu bei, dass GEO600 trotz der kürzeren Armlänge bei hohen Frequenzen (kHz) derzeit so empfindlich messen kann wie Virgo. In der nächsten Generation der LIGO- und Virgo-Detektoren soll diese Methode auch dort für eine noch höhere Messempfindlichkeit sorgen.

Science Runs: Datennahme und die Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen

Science Run – das ist der wissenschaftliche Betrieb eines Gravitationswellendetektors: ein großes Zeitfenster, in dem kontinuierlich Daten gesammelt werden. Alle Gravitationswellen-Observatorien weltweit arbeiten dabei als Netzwerk zusammen. So sollten sich Gravitationswellen zweifelsfrei identifizieren lassen, denn sie durchlaufen alle Detektoren zugleich und müssten also entsprechend in jedem laufenden Detektor registriert werden.
Die Gleichzeitigkeit der weltweiten Messungen wird allerdings durch die sich an den gemeinsamen Science Run anschließende Umbauphase unterbrochen, in der nur GEO600 Daten aufzeichnen wird.

Wichtige Voraussetzungen dafür, dass Gravitationswellen in der Datenflut überhaupt gefunden werden können, liefern die Wissenschaftler aus dem Feld der Numerischen Relativitätstheorie. Mit ihren komplexen Simulationen sagen sie Ursprung und Form von Gravitationswellen vorher. Sie stellen ihren Kollegen in der Datenanalyse „Fingerabdrücke“ der Gravitationswellensignale zur Verfügung: eindeutige Muster und Signaturen, nach denen diese in den Daten suchen.

Seit der Inbetriebnahme von GEO600 und des internationalen Netzwerks der Gravitationswellendetektoren gab es insgesamt sechs Science Runs. Derzeit werden die Daten des letzten Science Runs ausgewertet. Auch dabei spielt das AEI eine zentrale Rolle, denn die Messdaten von GEO600, LIGO und Virgo laufen am Albert-Einstein-Institut in Hannover zusammen. Mit dem Computercluster ATLAS steht am AEI außerdem einer der weltweit größten und schnellsten Supercomputer. Er übernimmt einen großen Teil der automatisierten Datenanalyse.

Im Zuge der Datenauswertung entstand das Projekt Einstein@Home – es ermöglicht interessierten Laien, zur Datenauswertung der Gravitationswellenobservatorien beizutragen. Seit 2009 wird es auch erfolgreich für die Auswertung von Daten des Radioteleskops Arecibo eingesetzt: Im Sommer 2010 entdeckten ein deutscher und zwei amerikanische Amateurwissenschaftler einen neuen Radiopulsar. Im Frühjahr 2011 konnte Einstein@Home die nächsten spektakulären Erfolge vermelden: die Entdeckung eines Doppelsternsystems aus einem Neutronenstern und einem Weißen Zwerg in den Arecibo- Daten. Und in den letzten Wochen wurden gleich fünf neue Neutronensterne in den Daten des australischen Parkes Observatoriums entdeckt.

Erwartungen an eine Astronomie mit Gravitationswellen und Kooperation mit anderen Fachgebieten

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 auch eine 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 Beobachtungen des Himmels auf das elektromagnetische Spektrum beschränken, erreichen uns die 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 das Universum erst zu 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 vielleicht eines Tages bis zum ersten Billionstel der ersten Sekunde nach dem Urknall zurücklauschen/-blicken.

Aber auch für andere Bereiche der Astrophysik, wie die Erforschung besonders kompakter und massereicher Objekte, wird die Gravitationswellenastronomie von Bedeutung sein. So bietet sich eine enge Zusammenarbeit mit der beobachtenden Astronomie etwa im Frequenzbereich der Gamma- und Röntgenstrahlen oder auch im Radiowellenbereich an. Denn die Natur der über die gesamte Himmelssphäre verteilten Gammablitze ist noch nicht hinreichend geklärt. Nahezu zeitgleiche Gravitationswellensignale an denselben Himmelspositionen wie die Gammablitze könnten aufklären, ob deren Ursprung tatsächlich Supernova-Explosionen von besonders schweren Sternen sind.

Auch wird sich die innere Struktur sowohl von einzelnen Neutronensternen als auch von engen Doppelsystemen, die bisher vornehmlich über Radiowellen oder Röntgenstrahlung beobachtet werden, mithilfe von Gravitationswellen besser studieren lassen. Während die elektromagnetische Strahlung von der Oberfläche astrophysikalischer Objekte herrührt und nur indirekte Schlüsse über deren innere Struktur zulässt, enthalten Gravitationswellen direkte Informationen über den inneren Aufbau. Vor allem aber lassen sich die Gravitationswellen von astrophysikalischen Ereignissen beobachten, noch bevor ein Röntgen- oder Gammastrahlenausbruch oder auch sichtbares Licht von derselben Quelle zu sehen ist. So können die Wissenschaftler ihren Kollegen in der optischen Astronomie rechtzeitig Bescheid geben, wohin sie ihre Teleskope am Himmel zu richten haben.

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