Gravitation

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LIGO kann Gravitationswellen erkennen, die entstehen, wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren. Bildnachweis: Das SXS-Projekt

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Nach einer dreijährigen Pause, die durch pandemische Probleme verlängert wurde, wurde die Suche nach Gravitationswellen – Wellen in der Raumzeit, die das Markenzeichen kollidierender Schwarzer Löcher und anderer kosmischer Katastrophen sind – wieder aufgenommen.

Das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), das über zwei riesige Detektoren in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) verfügt, geht nach einem mehrere Millionen Dollar teuren Upgrade nun mit verbesserter Empfindlichkeit wieder in Betrieb. Die Verbesserungen sollten es der Anlage ermöglichen, alle zwei bis drei Tage Signale von kollidierenden Schwarzen Löchern zu empfangen, verglichen mit etwa einmal pro Woche bei ihrem vorherigen Betrieb in den Jahren 2019–20.

Das Gravitationswellenobservatorium LIGO soll seine Nachweisleistung verdoppeln

Der Virgo-Detektor in der Nähe von Pisa, Italien, der einer eigenen Aufrüstung im Wert von 8,4 Millionen Euro (9 Millionen US-Dollar) unterzogen wurde, sollte mitmachen, aber technische Probleme zwingen sein Team, die Abschaltung zu verlängern und weitere Wartungsarbeiten durchzuführen. „Wir gehen davon aus, dass wir bis zum Ende des Sommers oder Frühherbsts wieder starten können“, sagt Virgo-Sprecher Gianluca Gemme, Physiker am italienischen Nationalen Institut für Kernphysik in Genua.

KAGRA, ein Gravitationswellendetektor unter dem Berg Ikenoyama in Japan, startet ebenfalls am 24. Mai neu. Seine Technologie ist zwar fortgeschrittener – sie wurde 2020 eingeweiht – wird jedoch verfeinert, und ihre Empfindlichkeit ist immer noch geringer als die von LIGO im Jahr 2015. Das sagt der leitende Forscher Takaaki Kajita, ein mit dem Nobelpreis ausgezeichneter Physiker an der Universität Tokio KAGRA wird einen Monat lang am LIGO-Betrieb teilnehmen und dann für eine weitere Inbetriebnahmeperiode wieder abgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird das Team die vier Hauptspiegel des Interferometers auf 20 Kelvin abkühlen, sagt Kajita – eine Funktion, die KAGRA von den anderen Detektoren unterscheidet, die als Modell für Observatorien der nächsten Generation dienen werden.

Gravitationswellen werden von großen, beschleunigenden Massen erzeugt und die Wellen dehnen und komprimieren das Gefüge des Weltraums während ihrer Ausbreitung zyklisch. Beginnend mit der historischen ersten Entdeckung von LIGO im Jahr 2015 sind die meisten der rund 90 bisher aufgezeichneten Gravitationswellenereignisse auf die spiralförmige Bewegung von Paaren von Schwarzen Löchern zurückzuführen, die dabei sind, zu einem zu verschmelzen; Eine Handvoll sind auf ähnliche Weise durch die Verschmelzung zweier Neutronensterne oder eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs entstanden.

LIGO, Virgo und KAGRA basieren alle auf dem gleichen Interferometerkonzept, bei dem ein Laserstrahl in zwei Teile geteilt und die resultierenden Strahlen zwischen zwei Spiegeln an beiden Enden eines langen Vakuumrohrs reflektiert werden. (Bei LIGO sind die beiden „Arme“ des Interferometers jeweils 4 Kilometer lang; bei Virgo und KAGRA sind es 3 Kilometer.) Die beiden Strahlen kommen dann zurück und werden an einem Sensor in der Mitte zur Überlappung gebracht. Ohne Störungen der Raumzeit heben sich die Schwingungen der Strahlen gegenseitig auf. Der Durchgang von Gravitationswellen führt jedoch dazu, dass sich die Länge der Arme relativ zueinander ändert, sodass sich die Wellen nicht perfekt überlappen und der Sensor ein Signal erkennt.

Der LIGO-Detektor in Livingston, Louisiana, ist einer von zwei Detektoren in den Vereinigten Staaten.Quelle: Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab

Typische Gravitationswellenereignisse verändern die Länge der Arme nur um einen Bruchteil der Breite eines Protons. Um solche winzigen Veränderungen zu erkennen, ist eine sorgfältige Isolierung von Störgeräuschen aus der Umgebung und von den Lasern selbst erforderlich.

Bei Upgrades, die vor dem Lauf 2019–20 durchgeführt wurden, haben LIGO und Virgo einen Teil dieses Lärms mit einer Technik namens „Light Squeezing“ bekämpft. Bei diesem Ansatz geht es um das Eigenrauschen, das dadurch entsteht, dass Licht aus einzelnen Teilchen besteht: Wenn die Strahlen am Sensor ankommen, kann jedes einzelne Photon etwas zu früh oder zu spät ankommen, was bedeutet, dass sich die Laserwellen nicht überlappen und auslöschen funktioniert auch ohne Gravitationswellen perfekt.

„Es ist, als würde man einen Eimer mit BBs [Bleikugeln] fallen lassen: Es macht ein lautes Zischen, aber sie treffen alle zufällig ein“, erklärte der Physiker Lee McCuller, als er 2017 einen Prototyp der LIGO-Interferometer am Massachusetts Institute of Technology (MIT) vorführte Cambridge. Durch Lichtquetschung wird ein Hilfslaserstrahl in das Interferometer eingespeist, der diesen Effekt verringert. „Seine Photonen kommen regelmäßiger und mit weniger Rauschen an“, sagte McCuller, der jetzt am California Institute of Technology in Pasadena arbeitet.

Die Implementierung von Light Squeezing hat LIGO und Virgo dabei geholfen, die Empfindlichkeit der Detektoren gegenüber höherfrequenten Gravitationswellen zu verbessern.

Doch aufgrund der bizarren Regeln der Quantenmechanik führt eine Verringerung der Unsicherheit bei der Ankunftszeit der Photonen zu zufälligen Schwankungen in der Intensität der Laserwellen. Dies führt dazu, dass die Laser auf die Interferometerspiegel drücken und diese zum Zittern bringen, wodurch eine andere Art von Rauschen entsteht und möglicherweise ihre Empfindlichkeit gegenüber niederfrequenten Gravitationswellen verringert wird. Dies sei eine „wunderschöne Manifestation der Natur“, sagt MIT-Experimentator Nergis Mavalvala, der bei der Entwicklung der Quetschtechnologie mitgewirkt hat. „Man kann nicht unendlich genau messen, den Preis muss man woanders bezahlen“, sagt sie.

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Um dieses Problem zu lösen, bestand eine wichtige Änderung bei den jüngsten Upgrades von LIGO und Virgo darin, zusätzliche 300 Meter lange Vakuumrohre mit Spiegeln an den Enden zu bauen, um den zusätzlichen „Quetschstrahl“ zuvor 2,5 Millisekunden lang zu speichern Injizieren in das Interferometer. Die Aufgabe dieser Rohre besteht darin, die Wellen des Hilfslasers abhängig von ihrer Wellenlänge um unterschiedliche Beträge zu verschieben. Dies bedeutet, dass die Kompression selektiv erfolgt: Sie verringert das Rauschen bei hohen Frequenzen und verringert gleichzeitig den Spiegeljitter bei niedrigen Frequenzen.

Die MIT-Physikerin Victoria „Es funktionierte fast genau so, wie man es erwarten würde“, sagt sie.

Mit der verbesserten Empfindlichkeit der Detektoren können Forscher detailliertere Informationen über die spiralförmigen Objekte, die Gravitationswellen erzeugen, extrahieren, einschließlich der Art und Weise, wie sich jedes Objekt um seine Achse dreht und wie sie sich umeinander drehen. Das bedeutet, Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie – die die Existenz sowohl von Schwarzen Löchern als auch von Gravitationswellen vorhersagt – strengeren Tests als je zuvor zu unterziehen. Allein die Zahl der Beobachtungen wird das Gesamtbild darüber verbessern, wie und wie oft Schwarze Löcher aus massereichen Sternen entstehen, die in sich zusammenfallen.

Astrophysiker gehen außerdem davon aus, dass Gravitationswellen zusätzlich zu denen von Verschmelzungen Schwarzer Löcher auch andere Signaltypen offenbaren werden. Eine große Hoffnung besteht darin, das Gravitationssignal eines kollabierenden Sterns aufzufangen, bevor er sich als Supernova-Explosion manifestiert – eine Leistung, die nur möglich sein wird, wenn der Kollaps irgendwo in der Galaxie stattfindet. Ein weiteres Ziel besteht darin, die kontinuierlichen Gravitationswellen zu erfassen, die durch die raue Oberfläche eines Pulsars erzeugt werden, eines rotierenden Neutronensterns, der Strahlungsimpulse aussendet.

Die Familie der Interferometer soll bis zum Ende des Jahrzehnts erweitert werden. Die indische Regierung hat angekündigt, LIGO-India zu finanzieren, eine Nachbildung der US-Observatorien, die teilweise mit LIGO-Ersatzkomponenten gebaut werden soll.

Natur618, 13-14 (2023)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01732-4

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