Ein neues Fenster zum Universum
Albert Einstein sagte die Existenz von Gravitationswellen vor mehr als einem Jahrhundert voraus. Im Jahr 2015 entdeckten Physiker über das Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) – zwei Observatorien in Hanford, Washington und Livingston, Louisiana in den Vereinigten Staaten, die über zwei riesige Instrumente verfügen – erstmals solche Raumzeitwellen. Diese Entdeckung zog eine Geschichte intensiver Ermittlungen und vor allem bedeutende technologische Fortschritte nach sich. Zur Vergrößerung der Reichweite von Gravitationswellendektektoren haben EU-finanzierte Wissenschaftler unterschiedliche Ansätze erforscht, die vielversprechend sind, um die quantenmechanischen Einschränkungen zu überwinden. Das Projekt EAGLE (Exploring quantum aspects of gravitational wave detectors) war unter Berücksichtigung von Verbesserungen bezüglich Komplexität und Sensitivität einer systematischen Untersuchung dieser Ansätze gewidmet. Das Ziel bestand darin, Richtlinien bereitzustellen, um die Leistung von zukünftigen Gravitationswellendetektoren zu verbessern. Gravitationswellendetektoren, einschließlich des LIGO-Observatoriums, verwenden Hochleistungslaser sowie Spiegel im Kilogramm-Maßstab als Testmassen, die Kilometer voneinander entfernt sind. Zur Detektion schwacher Gravitationswellen aus dem fernen Universum müssen die Detektoren extrem sensibel auf die geringsten Verlagerungen der Testmasse reagieren. Ein Rauschen mit Quantenursprung schränkt ihre Sensitivität ein. Wissenschaftler erforschten unterschiedliche Ansätze zur Reduzierung des Quantenrauschens und zur Verbesserung der Detektorreaktion auf Gravitationswellensignale. Ein neuer Ansatz, der im Zuge von EAGLE erwogen wurde, ist die Anbringung einer optomechanischen Vorrichtung, die als instabiler Filter innerhalb der Signalrecycling-Kavität fungiert, um die Verzögerung in der Ausbreitungsphase (positive Dispersion) des Signals auszugleichen. Dieses neue System kann die Detektorbandbreite verbessern und gleichzeitig die Spitzenempfindlichkeit bei der Fokussierung auf den Rauschpegel erhalten. Unter Anwendung nummerischer Modellierungen und analytischer Untersuchungen hat die Arbeit von EAGLE neue Ideen für die Gestaltung von Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation ermöglicht. Diese Instrumente eignen sich ideal, um das Universum abzutasten und so astrophysikalische Phänomene zu enthüllen, die mit der Erfassung von kosmischem Licht nicht beobachtbar wären.
Schlüsselbegriffe
Allgemeine Relativitätstheorie, Laserinterferometer, Quantenrauschen, Gravitationswelle, LIGO, EAGLE