Messtechnik und Astronomie

So funktioniert ein Gravitationswellen-Detektor

12.02.16 | Redakteur: Franz Graser

Der LIGO-Gravitationswellendetektor in Livingston im US-Bundesstaat Louisiana. Deutlich sind die beiden im rechten Winkel angeordneten Detektorröhren zu erkennen.
Der LIGO-Gravitationswellendetektor in Livingston im US-Bundesstaat Louisiana. Deutlich sind die beiden im rechten Winkel angeordneten Detektorröhren zu erkennen. (Bild: Caltech/MIT/LIGO Laboratory)

Mit dem Nachweis der Gravitationswellen haben Physiker einen wichtigen Aspekt von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie bestätigt: Erschütterungen der Raumzeit pflanzen sich wie Wellen im Gewebe des Universums fort. Die Technik zum Nachweis der Wellen wurde teilweise in Deutschland entwickelt und verfeinert.

Die Entdeckung der Gravitationswellen, die für weltweite Schlagzeilen sorgte, wurde zwar mit dem LIGO-Observatorium (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) in den USA gemacht. Gravitationsforschung wird aber auch in Deutschland betrieben. In der Nähe von Hannover befindet sich mit GEO600 ein vergleichbarer Gravitationswellen-Detektor, in dem grundlegende Techniken entwickelt wurden, die bei LIGO zum Einsatz kommen.

Wie arbeitet ein solcher Gravitationswellen-Detektor? Äußerlich besteht der Detektor aus zwei jeweils 600 Meter langen Röhren, die exakt im rechten Winkel zueinander stehen. In den beiden Vakuumröhren läuft Laserlicht.

Schema eines Gravitationswellendetektors. Laserstrahlen werden durch die beiden rechtwinklig angeordneten Arme der Anlage geschickt. Spiegel (hier als „test mass“ bezeichnet) reflektieren das Licht, um eine längere Lauflänge zu erreichen. Normalerweise heben sich die beiden Strahlen im Kreuzungspunkt wegen gegenseitig auf. Durchläuft eine Gravitationswelle das System, dann wird am Photodetektor ein Lichtsignal aufgefangen.
Schema eines Gravitationswellendetektors. Laserstrahlen werden durch die beiden rechtwinklig angeordneten Arme der Anlage geschickt. Spiegel (hier als „test mass“ bezeichnet) reflektieren das Licht, um eine längere Lauflänge zu erreichen. Normalerweise heben sich die beiden Strahlen im Kreuzungspunkt wegen gegenseitig auf. Durchläuft eine Gravitationswelle das System, dann wird am Photodetektor ein Lichtsignal aufgefangen. (Bild: Gemeinfrei)

Was passiert nun, wenn eine Gravitationswelle auf diesen Detektor trifft? Juniorprofessorin Michèle Heurs von der Leibniz-Universität Hannover, sagt gegenüber der Europäischen Raumfahrtagentur ESA: „Eine Gravitationswelle, die auf mich zufliegt, würde mich abwechselnd dünner und länger sowie gedrungen und dicker machen. Aber nur in sehr geringem Umfang.“

Dasselbe passiert mit den Laserstrahlen, die in den Vakuumröhren laufen: Der eine Arm wird gestaucht, der andere geringfügig gestreckt. Die Wellenlängen der Laserstrahlen sind so aufeinander abgestimmt, dass sie sich an der Detektorstation im Scheitel des rechten Winkels gegenseitig aufheben und kein Licht an der Fotodiode des Detektors ankommt.

Wenn jedoch eine Gravitationswelle den Detektor durchläuft, dann hebt sich durch die Verwerfung der Raumzeit die Synchronisation der Lichtstrahlen kurzzeitig auf. Der Detektor registriert ein Lichtsignal. Die Messtechnik ist in der Lage, diese feinen Abweichungen zu registrieren. Allerdings muss hoher Aufwand betrieben werden, damit die Anlage auch tatsächlich das misst, was sie messen soll.

Gerade am GEO600 in der Nähe von Hannover wurden die Techniken zur Detektion von Gravitationswellen bis zum Äußersten verfeinert. Das ist auch deshalb nötig, weil die Röhren des GEO600 mit 600 Metern deutlich kürzer sind als beim LIGO-Pendant in den USA, dessen Arme vier Kilometer messen. Die konstruktionsbedingt geringere Empfindlichkeit des GEO600 musste daher durch Tricks verbessert werden.

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