Die beste Lösung

Verbesserungsbedarf bei Gravitationswellendetektoren

4. Oktober 2018 Entwicklung neuer Messgeräte

Nicht nur bei Simulationen für Gravitationswellen, sondern auch bei den Messinstrumenten gibt es Verbesserungsbedarf. Das gilt auch für die beiden LIGO-Detektoren in den USA, mit denen 2015 erstmals Gravitationswellen nachgewiesen werden konnten: Selbst diese derzeit empfindlichsten Messgeräte der Welt erfassen nur einen begrenzten Teil der Gravitationswellensignale.

Im DFG-Graduiertenkolleg

„Solche Detektoren arbeiten mit Laserlicht", erklärt Roman Schnabel von der Universität Hamburg, der an LIGO beteiligt ist. „Damit wird in einem Vakuumsystem ständig die Entfernung zwischen zwei Spiegeln gemessen." Läuft eine Gravitationswelle durch den Erdball, ändert sich die Entfernung zwischen den Spiegeln. „Und das messen wir. "Die Abstandsänderungen sind allerdings unglaublich gering, etwa 1 Milliarde Mal kleiner als ein Atom. Das liegt daran, dass Gravitationswellen in der Regel in riesiger Entfernung entstehen und die Signale entsprechend schwach bei uns ankommen. Damit diese winzigen Bewegungen auch erfasst werden können, muss ein äußerst konstantes Laserfeld erzeugt werden. Dabei drückt das Laserlicht permanent auf die Spiegel. „Das nennen wir den Strahlungsdruck", erläutert Roman Schnabel. „Kommt es zu Schwankungen, können wir nicht unterscheiden, ob es am Laserlicht lag oder gerade eine Gravitationswelle angekommen ist." Da Licht aus einzelnen Photonen besteht, die quasi gegen den Spiegel prasseln, schwankt der Strahlungsdruck immer ein wenig.

Gemeinsam mit seinem Kollegen Yanbei Chen vom California Institute of Technology in Pasadena entwickelt Schnabel im deutsch-amerikanischen gemeinsam von der DFG und der National Science Foundation (NSF) geförderten Projekt „Demonstration von Positions- und Geschwindigkeitsmessungen im zerstörungsfreien Quantenregime für eine neue Topologie von Gravitationswellendetektoren" seit 2016 einen neuen Ansatz für Detektoren. „Wir wollen statt der üblichen zwei Spiegel nun drei einsetzen und so das Laserlicht nicht mehr hin und her, sondern im Kreis laufen lassen – und zwar gleichzeitig sowohl links- als auch rechtsherum. Dadurch hoffen wir, dass sich der Strahlungsdruck zu einem großen Teil aufhebt", so der Hamburger Physiker. Die Idee dazu lieferte Schnabels Doktorand Mikhail Korobko aus Russland, der einen Weg gesucht hatte, um den Strahlungsdruck präzise vermessen zu können.

Wenn das funktioniert, könnten Detektoren laut Schnabel deutlich empfindlicher messen und vielleicht sogar tausendmal so viele Signale erfassen wie bisher. Aber bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Derzeit bauen die Hamburger Forscher entsprechende Experimente auf und haben dafür eine spezielle Vakuumkammer konstruiert. „Yanbei Chen ist einer der weltweit führenden Theoretischen Physiker für Gravitationswellen und Strahlungsdruck. Seine Expertise wird uns helfen, die komplexen Messdaten richtig auszuwerten", sagt Schnabel. Die beiden kennen sich noch aus der Zeit, als Chen nach seiner Promotion bei Nobelpreisträger Kip S. Thorne nach Deutschland kam und am Albert-Einstein-Institut in Potsdam forschte. Schon damals hatten Schnabel und Chen ein gemeinsames Projekt in Angriff genommen.

Licht effektiver kontrollieren

Auch der Laserexperte Andreas Tünnermann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der zugleich das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik leitet, beschäftigt sich schon lange mit Gravita­tionswellendetektoren. Wie Bernd Brügmann und Roman Schnabel gehörte er zum ehemaligen SFB/Transregio „Gravitationswellenastronomie: Methoden – Quellen – Beobachtungen". In ihm wurden Detektortechnologien entwickelt, die heute in LIGO und dem europäischen Detektor Virgo zum Einsatz kommen. Wichtige Grundlagen für die nächste Generation von Gravitationswellendetektoren erforschen Jenaer Wissenschaftler seit 2015 auch im Internationalen DFG-Graduiertenkolleg „Geführtes Licht, dicht gepackt: neue Konzepte, Komponenten und Anwendungen". Tünnermann ist der Sprecher dieser deutsch-kanadischen Gemeinschaftseinrichtung. Insgesamt 40 Promovierende und ihre Betreuer aus Jena und drei kanadischen Partnereinrichtungen arbeiten an den Vorhaben.

„Wir beschäftigen uns unter anderem mit optischen Materialien, sogenannten effektiven Medien, mit denen sich auf Basis spezieller Materialeigenschaften Licht noch präziser und effizienter kontrollieren lässt", führt Tünnermann aus. „Eine wichtige Grundlage, um Spiegel geringster Verluste zu realisieren, ein Baustein künftiger Detektoren." Dies ist aber nur ein Teilaspekt des Graduiertenkollegs. „Im Kern geht es um die Lichtführung über neuartige Mi­kro- und Nanostrukturen für verschiedenste Anwendungen in der Produktionstechnik, der Messtechnik bis hin zu den Lebenswissenschaften", erklärt Stefan Nolte von der Universität Jena, der ebenfalls an dem Graduiertenkolleg beteiligt ist. „Wir suchen Wege, um Licht auf kleinstem Raum zu erzeugen und zu manipulieren."

Ein Beispiel sind optische Glasfasern, die das Rückgrat moderner Telekommunikationsnetze bilden. Sie bestehen normalerweise aus einem Kern, in dem sich das Licht fortbewegt, und einem Mantel, der das Licht sozusagen im Kern hält. In dem Graduiertenkolleg arbeiten die Forscherinnen und Forscher daran, die bisherigen Grenzen der Leistungsfähigkeit solcher Fasern zu sprengen. Dabei werden nanometergroße Löcher im Fasermaterial erzeugt, die die Führungseigenschaften der Fasern gezielt verändern. So konnten die Forscher Faserlaser mit bisher unerreichten Ausgangsleistungen demonstrieren. Aber die nanostrukturierten Fasern lassen sich noch anders nutzen. „Beispielsweise können wir so Licht in einem Hohlraum statt in einem festen Kern führen. Wird der Hohlraum mit Gas gefüllt, lässt sich das Lichtspek­trum verbreitern – von Ultraviolett bis Infrarot konnten wir so alle Wellenlängen erzeugen. Eine interessante Quelle für Messtechnik und Sensorik", beschreibt Nolte.

Die Expertise der deutschen und kanadischen Partner ergänzt sich laut Nolte perfekt. Gerade in der Telekommunikationsforschung und der Sensorik sei Kanada traditionell stark. „Das Graduiertenkolleg ist für uns die ideale Möglichkeit, die langjährige Zusammenarbeit auf ein neues Level zu bringen."