Schäden verzögern den Neustart von Italiens riesigem Gravitationswellendetektor

Später in diesem Monat werden Physiker ihre Jagd nach astrophysikalischen Monstern wieder aufnehmen: Schwarze Löcher und Neutronensterne, die im Dunkeln aufprallen und im Weltraum Wellen aussenden, die als Gravitationswellen bezeichnet werden. Aber einer der drei Detektoren, die solche Wellen entdeckt haben – Virgo in der Nähe von Pisa, Italien – ist auf technische Probleme gestoßen, die seinen Neustart verzögern werden, drei Jahre nachdem alle Anlagen wegen Wartungs- und Modernisierungsarbeiten geschlossen wurden. In den nächsten Monaten werden nur die beiden Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Louisiana und im US-Bundesstaat Washington Daten erfassen, wodurch es schwieriger wird, Quellen am Himmel zu lokalisieren.

Das Problem scheint nicht in den Modernisierungen zu liegen, sondern in älteren Teilen, die Lärm erzeugen, der viele Signale übertönen würde, sagt Fiodor Sorrentino, Physiker am italienischen Nationalen Institut für Kernphysik (INFN) und Inbetriebnahmekoordinator von Virgo. „Aber wir können nicht hundertprozentig sicher sein“, bevor wir den Detektor öffnen, sagt er. Daniel Holz, Astrophysiker an der University of Chicago, sagt, solche Schluckaufe seien normal, obwohl LIGO und Virgo ihnen ausgewichen seien. „Diese Art von Pech ist uns schuldig, denn unser übermäßiges Glück musste aufhören.“

Das Glück begann im Jahr 2015, als die LIGO-Detektoren erstmals Wellen registrierten, die entstehen, wenn zwei massive Schwarze Löcher ineinander wirbeln und verschmelzen. Zwei Jahre später entdeckten LIGO und Virgo eine nahegelegene Verschmelzung zweier Neutronensterne, die eine Explosion namens Kilonova auslöste, die auch von unzähligen Teleskopen beobachtet wurde. Bisher haben die drei Detektoren mehr als 90 Verschmelzungen von Schwarzen Löchern und zwei von Neutronensternen erfasst.

Jeder Detektor ist ein riesiges L-förmiges optisches Gerät, das Interferometer genannt wird. Licht prallt zwischen schweren Spiegeln an den Enden jedes Arms des L. Ein Teil des Lichts dringt durch die Spiegel am Ellbogen, und die beiden Lichtstrahlen interferieren und heben sich gegenseitig auf, je nachdem, wie lang die Arme relativ zueinander sind. Eine vorbeiziehende Gravitationswelle streckt im Allgemeinen einen Arm stärker als den anderen, wodurch Licht synchron mit der Welle aus dem Gerät austritt.

Um die winzige Dehnung zu erkennen, müssen die Arme lang sein. LIGOs erstrecken sich über 4 Kilometer und Virgos über 3 Kilometer. Die Detektoren müssen auch andere Schwingungen unterdrücken, um die Länge jedes Arms auf 1 Femtometer, die Breite eines Protons, zu stabilisieren. Das gesamte Rig befindet sich also in einer Vakuumkammer und ein ausgeklügeltes Aufhängungssystem trägt jeden Spiegel. Die Probleme der Jungfrau scheinen in der Aufhängung und den Spiegeln entstanden zu sein.

Jeder seiner 40 Kilogramm schweren Spiegel hängt an einem Paar dünner Glasfasern. Im November 2022 brach eine Faser, die einen Spiegel trug. Obwohl der Spiegel nur eine minimale Distanz zurückfiel, scheint der Stoß einen von vier Magneten gelöst zu haben, die am Spiegel befestigt waren und ihn stabilisierten, sagt Sorrentino. Die Bewegungen des Magneten erzeugen einen Hauch von Hitze – im wahrsten Sinne des Wortes Vibrationen im Glas. Außerdem scheint ein Spiegel im anderen Arm, der 2017 einen ähnlichen Sturz erlitt, jetzt einen kleinen inneren Riss zu haben, der wächst und Hitze erzeugt. Der Lärm begrenzt Virgos Empfindlichkeit auf etwa die Hälfte dessen, was sie am Ende des letzten Laufs war.

Die Probleme seien erst vor Kurzem offensichtlich geworden, da die Inbetriebnahme einiger Upgrades länger dauerte als erwartet, sagt Gianluca Gemme, Physiker am INFN und Sprecher des 850-köpfigen Virgo-Teams. Anstatt den Detektor neu zu starten, öffnen die Forscher seine Vakuumkammer, um den losen Magneten von einem Spiegel zu entfernen und den anderen Spiegel auszutauschen. Diese Arbeiten sollten bis Juli abgeschlossen sein, sagt Gemme. Das Stimmen des Instruments würde einige Monate länger dauern. „Wenn alles gut läuft und es keine zusätzlichen versteckten Lärmquellen gibt, sollten wir im Herbst in der Lage sein, [LIGO] beizutreten“, sagt Gemme. Dennoch warnt Sorrentino: „Diese aktuelle Situation ist etwas beängstigend, weil man nie weiß, was passieren wird, wenn man seine [Spiegel] in die Hand nimmt.“

Die beiden LIGO-Detektoren funktionieren gut und sollten für den Neustart am 24. Mai bereit sein, sagt Patrick Brady, Astrophysiker an der University of Wisconsin-Milwaukee und Sprecher der LIGO-Zusammenarbeit. Aber der vorübergehende Verlust der Jungfrau wird die wissenschaftlichen Möglichkeiten einschränken. Drei Detektoren können eine Quelle am Himmel auf einige Dutzend Quadratgrad genau lokalisieren. Bei zwei ist die Lokalisierung weitaus schlechter.

Virgo bewies den Wert einer solchen Triangulation im August 2017, als es und die LIGO-Detektoren die erste Neutronensternverschmelzung entdeckten. Die Koordinaten wurden schnell an die Astronomen übermittelt und ermöglichten es Radioschüsseln, optischen Teleskopen, Gammastrahlendetektoren und anderen Instrumenten, die Explosion zu orten und die schweren Elemente aufzuspüren, die sie erzeugt hatte – was sie buchstäblich zu einer kosmischen Goldmine machte.

Aber selbst mit nur LIGO dürfte der 18-monatige Lauf viele wissenschaftliche Erkenntnisse liefern, sagt Brady. Die Detektoren von LIGO sind bereits 30 % empfindlicher als zuvor und sollten alle zwei bis drei Tage eine Verschmelzung von Schwarzen Löchern erkennen und insgesamt etwa 270 verschmelzen. Dieser Transport sollte die Verteilung der Massen von Schwarzen Löchern bestimmen und könnte ungewöhnliche Verschmelzungen aufdecken, beispielsweise zwischen Schwarzen Löchern, die sich in verschiedene Richtungen drehen. Diese Informationen könnten dabei helfen, aufzudecken, wie Paare aus Schwarzen Löchern entstehen, sagt Brady. „Die Aufregung wird nicht nur darin bestehen, die Zahl zu erhöhen, sondern auch darin, diese außergewöhnlichen Ereignisse zu erreichen.“