Messen an der Wahrnehmungsgrenze

Europäische Technik macht Entdeckung der Gravitationswellen möglich

| Redakteur: Johann Wiesböck

Bild 1: Die gemessenen Signale der Interferometer in Hanford und Livingston
Bild 1: Die gemessenen Signale der Interferometer in Hanford und Livingston (Bild: LIGO)

Auf die Idee muss erst mal einer kommen: Mit zwei räumlich getrennten Laser-Interferometern das Vorhandensein der Gravitationswellen zu detektieren. Dass der Nachweis schließlich gelang, geht auch auf das Konto eines Konsortiums von deutschen Forschungs-Instituten und der Firma neoLase in Hannover. Sie entwickelten die Ansteuerung der Laser.

Will man Längenänderungen in der Größenordnung von weniger als dem tausendstel eines Protondurchmessers messen, muss man einen extremen Aufwand betreiben. Die räumliche Dehnung / Stauchung der vier Kilometer langen Interferometer-Arme des „Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory“ (LIGO), ausgelöst von Gravitationswellen aus dem Weltraum, bewegt sich in der Größenordnung von ±1*10-21.

Am 14. September 2015 wurde die jahrelange Geduld der LIGO-Wissenschaftler belohnt. Ihnen gelang der Nachweis der bereits von Albert Einstein vorausgesagten Gravitationswellen. So gewaltig die Auswirkungen eines kosmischen Ereignisses, wie etwa der Verschmelzung massiver, kompakter Sterne sind, so wenig kommt aus einer Milliarde Lichtjahren Entfernung davon auf der Erde an.

LIGO betreibt in den USA im Abstand von mehreren tausend Kilometern zwei Laserinterferometer. Jede Anlage besteht aus je zwei um 90° versetzten Interferometer-Armen von je vier km Länge. Die Längenänderung dieser Messstrecken – kam vom Rauschen zu unterscheiden – zu detektieren, ist eine große Herausforderung an die Messtechnik.

Ein Teil des LIGO-Messsystems ist eine Gemeinschaftsentwicklung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, Hannover (Albert-Einstein Institut), dem Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) und der neoLASE GmbH. Die außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit für die Messung von Gravitationswellen erfordert einzigartige Interferometer mit Lasersystemen höchster Strahlqualität und Stabilität.

Mehr als zehn Jahre entwickelten und optimierten die Fachleute die Messanordnung. Im heutigen „advanced LIGO“ Lasersystem kommen hochstabile Laseroszillatoren mit 200 W Leistung und optischen Verstärkern zum Einsatz.

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