Wie man Gravitationswellen rauschfrei misst

Seit dem ersten Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2016 wird versucht, die Empfindlichkeit der Detektoren zu steigern. Forschern ist dabei nun ein entscheidender Schritt gelungen. Möglich wird dies durch Spiegel einer österreichischen Firma.

Albert Einstein hatte im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie Gravitationswellen vorhergesagt. Diese Störungen der Raumzeit entstehen, wenn etwa große Massen wie Schwarze Löcher kollidieren. Die Gravitationswellen rasen dann mit Lichtgeschwindigkeit durchs All und dehnen und stauchen den Raum - auch auf der Erde. Diese Längenänderung ist allerdings winzig - auf ein paar Kilometer sind es nur Bruchteile eines Protonendurchmessers. Nachweisen kann man das, indem man mit Laserstrahlen exakt kilometerlange Abstände zwischen Spiegeln misst.

Um die Genauigkeit dieser Distanzmessung zu erhöhen, gibt es verschiedene Ansätze. Derzeit werden die Gravitationswellen-Detektoren LIGO (USA) und VIRGO (Italien) für ihre dritte Beobachtungskampagne vorbereitet, Anfang April sollen sie mit erhöhter Empfindlichkeit ihre Beobachtungen wieder aufnehmen.

Einige Fehlerquellen kann man etwa durch eine hohe Laserleistung vermindern. Doch die Photonen tragen auch einen Impuls, den sie auf die Spiegel übertragen. Diese beginnen dadurch ganz leicht zu vibrieren - die Wissenschaftler sprechen von „Quantenstrahlungsdruck-Rauschen“. Dieses bedeutet ein unüberwindliches Limit für eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit von Gravitationswellen-Detektoren.

Thermisches Rauschen unterdrückt

US-Wissenschaftler haben nun gemeinsam mit Physikern der Universität Wien gezeigt, dass es möglich ist, in einem für Gravitationswellen-Detektoren wichtigen Frequenzband (2-100 kHz) bei Raumtemperatur tatsächlich so sensitiv zu messen, dass man nur mehr durch dieses fundamentale Quantenrauschen limitiert ist. Voraussetzung dafür ist, dass dabei Spiegel verwendet werden, die erlauben, dieses Quantenrauschen überhaupt zu sehen - und die kommen von dem vom Physiker Markus Aspelmeyer vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) mitgegründeten Unternehmen Crystalline Mirror Solutions (CMS).

„Die derzeit in Gravitationswellen-Detektoren verwendeten Spiegelmaterialien produzieren zusätzliches Rauschen, welches das fundamentale Quantenrauschen völlig überdeckt“, erklärt Aspelmeyer, der nicht an der aktuellen Arbeit beteiligt war, gegenüber der APA. Diese zusätzliche Störung wird „thermisches Rauschen“ genannt und hat seine Ursache in der Beschichtung der derzeitigen Spiegel. „Diese Beschichtung fluktuiert und man ist dadurch in der Genauigkeit der Abstandsmessung limitiert“, so der Physiker.

CMS setzt dagegen auf ein völlig anderes Materialsystem, sogenannte Halbleiter-Einkristalle, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften dieses thermische Rauschen unterdrücken. Durch die Verwendung der österreichischen Spiegel konnten die Wissenschaftler nun zeigen, dass über einen weiten Frequenzbereich bei Raumtemperatur tatsächlich das fundamentale Rauschen gemessen werden kann. Sie erhoffen sich dadurch weitere Erkenntnisse, wie sich die Empfindlichkeit zukünftiger Gravitationswellen-Detektoren weiter steigern lässt.

science.ORF.at/APA

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