23. November 2017

Nächster Nobelpreis für die Photonik


				
					Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

Der Nachweis von Gravitationswellen gelang den frisch gekürten Physik-Nobelpreisträgern mit einem riesigen Laser-Interferometer, das an die Grenzen des Machbaren geht.

Für das Team um die frisch gekürten Nobelpreisträger Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne war es eine harte Geduldsprobe. In neun Jahren Laufzeit detektierte ihr erstes, viele Millionen US-Dollar teures Laser-Interferometer nicht die Spur einer Gravitationswelle. Obwohl deren Existenz unbewiesen war, pochte das Team auf ein zweites, noch feinfühligeres, teureres Messgerät: das Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLIGO).

Der Bau führte die Wissenschaftler und Ingenieure an die Grenzen des Machbaren. Das riesige Laser-Interferometer besteht aus zwei je 4 Kilometer langen Stahlröhren von 120 cm Durchmesser. Sie sind rechtwinklig angeordnet, absolut waagerecht ausgerichtet und mathematisch rund. Letztes ist wichtig, weil in den Röhren extreme Vakuumbedingungen (10-9 torr) herrschen, um Schallwellen außen vor zu halten. Zusätzlich schirmen Betontunnel die Messröhren von Außeneinflüssen ab.

Hightech-Abschottung gegen irdische Einflüsse

Die Baumaßnahmen allein reichten nicht, um die ultrafeine Sensorik von den Randbedingungen zu entkoppeln. Zusätzlich sind die Optiken im Interferometer gegen thermische und seismische Einflüsse gesichert. Im Ur-LIGO schwebten 11 kg schwere Spiegel an feinen Stahlseilen. Das reichte nicht. Erst eine 140 kg schwere vierfach ausgependelte Konstruktion, in der 40 kg schwere Spiegel und weitere Gewichte an 0,4 mm feinen Quarzfasern aufgehängt sind, brachte Erfolg. Zusätzlich zu der passiven Schwingungsdämpfung ist ein aktives Sensor-Aktor-System im Einsatz, das die Position der Optiken überwacht – und diese auf einen Billionstel Meter genau hält. Nur so kann die Laser-Sensorik jene minimale Dehnungen und Stauchungen des Raums messen, die mit Gravitationswellen einhergehen.

Dafür wird ein Laserstrahl auf einen Strahlteiler (Beam Splitter) am Anfang der Röhren geleitet. Dieser teilt den Strahl und leitet ihn in die Röhren, wo sie nach 4 km auf die nanometergenau beschichteten Hightech-Spiegel treffen und praktisch verlustfrei reflektiert werden (die Spiegel absorbieren jedes 3,3-Millionenste Photon). Zurück am Strahlteiler fusionieren die absolut synchron laufenden Lichtwellen und werden zu einem Photodetektor gelenkt.

Highend-Laser im Einsatz

Stauchen und dehnen Gravitationswellen den Raum, führt dies zu minimalen Verschiebungen der sonst völlig synchronen Lichtwellen. Diese Verschiebungen haben teils nur ein Zehntausendstel der Größe eines Protons. Angesichts dieser Größenordnungen wird klar, dass das Forscherteam alles „Rauschen“ eliminieren musste, um tatsächlich Gravitationswellen nachzuweisen. Essentiell ist hierbei die Qualität des Lasers, der Licht in absolut stabiler Frequenz und Leistung über lange Messzeiträume bereitstellen muss. Diese Herausforderung löste das Team mit einer 4 Watt (W) starken Laserdiode (808 nm Wellenlänge). Ihr Licht wird zunächst in einem Festkörper – genauer einem Nicht-planaren Ring-Oszillator (NPRO) zur einem 2 W starken Seedstrahl mit 1064 nm Wellenlänge gewandelt.

Dieser wird in zwei Stufen auf 200 W verstärkt. Erst läuft das Licht durch 5 cm lange Festkörperstifte auf Neodym-Yttrium-Lithium-Basis. Angeregt durch den Laser emittieren deren Moleküle identische Photonen, die sich dem Laserstrahl anschließen und ihn verstärken. Dieser Prozess wird viermal wiederholt, bis der Strahl 35 Watt stark ist. Im folgenden Schritt läuft das Licht durch HPOs (High Power Oscillators) und Fasern, wobei es auf die nötigen 200 W Leistung gepumpt wird. Doch das ist nur der Anfang: Zur Detektion von Gravitationswellen mussten die Forscher die Stabilität des Seed-Lasers um ein 100-Millionenfaches steigern – und dabei die natürlichen Frequenzschwankungen eliminieren. Dafür ist ein Kontrollsystem im Einsatz, das die Strahlgüte mit einer Frequenz von 16 Kilohertz misst und nachjustiert, also alle 0,000061 Sekunden.

Weg zu einer Messstation im All ist vorgezeichnet

Im Jahr 2015 konnten die Forscher erstmals Gravitationswellen aufzeichnen und so Alfred Einsteins theoretische Annahmen bestätigen. Das ist im aLIGO mittlerweile mehrfach gelungen. Mitte Oktober 2017 meldete das Team eine neue wissenschaftliche Sensation: Sie registrierten Gravitationswellen, die nicht von schwarzen Löchern sondern von einer Neutronensternkollision ausgingen. Die Signale waren so klar, dass das Gewicht der Sterne und die Entfernung der Kollision daraus herzuleiten war.

Um Gravitationswellen genauer untersuchen zu können, plant die Europäische Weltraumagentur ESA ein Laser-Interferometer, das störende irdische Einflüsse komplett umgeht. Ab 2034 soll die Mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) dieses Gerät 70 Millionen Kilometer von der Erde entfernt installieren. Es soll aus drei im Dreieck angeordneten Satelliten bestehen, zwischen denen der Laser-Messstrahl rund 2,5 Millionen Kilometer Strecke zurücklegen wird.

 
 
 
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