Messtechnik extrem Wie die Gravitationswellen aus den ersten Momenten des Universums gemessen wurden

Redakteur: Peter Koller

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen aus den ersten Momenten des Universums hat Anfang der Woche für großes Aufsehen gesorgt. Ohne eine extrem leistungsfähige Messtechnik wäre die Entdeckung nicht möglich gewesen.

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Blick in die tiefsten Tiefen des Unversums: Die Fernrohre BICEP2 (Vordergrund) und das South Pole Telescope
Blick in die tiefsten Tiefen des Unversums: Die Fernrohre BICEP2 (Vordergrund) und das South Pole Telescope
(Steffen Richter (Harvard University))

Gravitationswellen sind salopp gesagt Falten in der Raumzeit. Sie entstanden in den ersten Momenten nach dem Urknall vor fast 14 Milliarden Jahren, als sich das Universum schlagartig extrem ausdehnte und der Raum dadurch zusammengedrückt wurde. Sie wurden von Albert Einstein als Teil seiner Relativitätstheorie vorhergesagt, aber nie direkt beobachtet. Bis jetzt.

Nach drei Jahren Auswertung ihrer Daten waren sich die Wissenschaftler des BICEP2-Projekts des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ihrer Sache jetzt absolut sicher und gingen am Montag an die Öffentlichkeit: "Wir haben nach einer Nadel im Heuhaufen gesucht – und eine Brechstange gefunden", sagt der Wissenschaftler Clem Pryke über die Zuverlässigkeit der Daten. Ihre Entdeckung wird in der Wissenschaftswelt gleichgesetzt etwa mit der Entdeckung des Higgs-Bosons.

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Das Messinstrument der Wissenschaftler ist das BICEP2-Teleskop am Südpol. Warum dort? "Der Südpol ist der Platz, wo man dem Weltraum am nächsten ist, ohne die Erde zu verlassen", fasst es Projektleiter John Kovac zusammen. Dort gelang es, in der kosmischen Hintergrundstrahlung ein Muster zu erkennen, das die Gravationswellen darstellt.

Dabei ist BICEP2 kein gewöhnliches Fernrohr für sichtbares Licht, sondern ein hochempfindlicher Detektor für Mikrowellenstrahlung. Die "Kamera" dieses Instruments besteht aus einem Array von insgesamt 512 Mikrowellen-Detektoren, die am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena entwickelt wurden. Jedes Kamera-Pixel besteht dabei aus einer gedruckten Antenne, die speziell auf die polarisierte Mikrowellenstrahlung im Millimeter-Bereich hin optimiert wurde, einem Filter sowie einer Art Thermoelement, das die von der Mikrowellenstrahlung erzeugte Wärme misst und in eine winzige Spannung umwandelt.

In nutzbare Größenordnungen verstärkt wird diese Spannung durch sogenannte SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices), die vom National Institute of Standards and Technology (NIST) der USA entwickelt und gebaut wurden. Auf 16 Chips wurden insgesamt mehr als 2000 SQUIDs erzeugt und verdrahtet. Der elektrische Strom des Sensoren fließt durch winzige supraleitende Spulen und erzeugt dort ein Magnetfeld, das von den SQUIDs gemessen und verstärkt wird.

Die Detektoren und die SQUIDs werden zur Messung mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von etwa vier Kelvin über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt – selbst für Südpolverhältnisse ziemlich kalt. Das Ausgangssignal der SQUIDs kann dann allerdings mit herkömmlicher Messtechnik bei Raumtemperatur weiter verarbeitet werden.

Die große Entdeckung der Gravitationswellen kommt passenderweise fast genau zum 50. Geburtstag der SQUIDs, die im Februar 1964 erstmals in einem Forschungsaufsatz erwähnt wurden und heute als Magnetfeldsensoren in einer Vielzahl von Applikationen eingesetzt werden, von der Hirnforschung bis zum Bergbau.

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