Fortschrittliche Gravitationswellendetektoren
Das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detektierte im vergangenen Jahr zweimal Gravitationswellen, was darauf hindeutet, dass derartige Erfassungen schon bald Routine werden könnten. Das hat mehr als ein Jahrzehnt gedauert und es war ebenso schwer, die erforderliche Empfindlichkeit zu erreichen, um diese Wellen in der Raumzeit zu erfassen, deren Existenz Albert Einstein bereits vor 100 Jahren vorhergesagt hatte. Inzwischen hat die Europäische Weltraumorganisation (ESA) mit der Arbeit an der Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA), einem Gravitationswellenobservatorium, begonnen, das in den 2030ern den Betrieb aufnehmen soll. Der LISA-Pathfinder-Forschungssatellit, eine Proof-of-Concept-Mission, wurde im Dezember 2015 in den Orbit gebracht, um die Machbarkeit der eLISA-Mission zu demonstrieren. Am Boden fügten die Forscher inzwischen eine Anlage zum Testen von Technologien und Materialien zusammen, die in weltraumgestützten Gravitationswellenobservatorien benötigt werden. Die als ein Teil des GRLOW-Projekts (Gravitational wave detectors low-frequency technology test bed) entwickelte Versuchsanordnung besteht aus einem thermisch gesteuerten Vakuumbehälter, der Umweltschwankungen unterdrücken kann. Die vorgeschlagene Anlage screent nicht nur die Umweltschwankungen im Niederfrequenzregime, sondern erzeugt auch gesteuerte Störungen. Im Inneren des Behälters gestattet ein Interferometer mit Pikometerempfindlichkeit die Charakterisierung von Materialien wie etwa kohlenstofffaserverstärkten Polymeren und Siliziumkarbid in einer Messungsbandbreite, die für Raumfahrtanwendungen relevant ist. Die Interferometerimplementierung basiert auf tiefer Phasenmodulation, was eine kontinuierliche Nachverfolgung von frei fallenden Massen in Echtzeit gestattet, wie sie zur Gravitationswellendetektion erforderlich ist. Das GRLOW-Team baute die erforderlichen Modulatoren von Grund auf neu, um eine Vorgabe zu erschaffen, die von einem Phasenmessgerät auf Basis eines Universalschaltkreises (Field Programmable Gate Array, FPGA) vermessen werden kann. Zudem entwickelten sie das Interferometer-Auslesesystem. Der neuartige GRLOW-Ansatz umfasste die Einführung einer System-on-Chip-Implementierung für das Phasenmessgerät. So wäre eine hochpräzise Messtechnik realisierbar, ohne jedes Mal die Software neu kompilieren zu müssen, wenn ein Eingabeparameter modifiziert wird. Zudem haben die Forscher anhand eines Tischexperiments gezeigt, dass es möglich ist, eine Empfindlichkeit von 10 nm pro Hertz Quadratwurzel zu erreichen. Zu guter Letzt wurden Datenanalysetechniken entwickelt, um das Rauschen aufgrund der thermoelastischen Verformung bei sehr niedrigen Frequenzen im LISA Pathfinder-Satelliten zu charakterisieren. Die neuen Verfahren sind gleichermaßen bei der GRLOW-Versuchsanordnung anwendbar, die zum Beginn der Ära der Gravitationswellenastronomie beitragen und neue Informationen über den Kosmos liefern wird.
Schlüsselbegriffe
Gravitationswellen, LIGO, eLISA, LISA Pathfinder, GRLOW, Vakuumbehälter, Interferometer
