"Vakuumpresse" verringert Quantenrauschen im LIGO-Observatorium Mehr Reichweite für Gravitationswellen-Detektoren - scinexx | Das Wissensmagazin
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Mehr Reichweite für Gravitationswellen-Detektoren

"Vakuumpresse" verringert Quantenrauschen im LIGO-Observatorium

LIGO
Die LIGO-Detektoren haben ihre Reichweite für Gravitationswellen durch einen speziellen "Rauschdämpfer" um 15 Prozent erhöht. Hier inspiziert eine Technikerin grade einen der Spiegel der Anlage. © Caltech, MIT/LIGO Lab

Weniger Störrauschen: Der Gravitationswellen-Detektor LIGO kann inzwischen bis zu 400 Millionen Lichtjahre weit ins All hinaushorchen – das ist 15 Prozent mehr als noch Anfang 2019. Möglich wird dies durch eine Technologie, die das Quantenrauschen im Vakuum des Detektors verringert und so die schwachen Erschütterungen durch Gravitationswellen leichter detektierbar macht. Dank dieser Quantenvakuum-Presse registriert LIGO inzwischen im Schnitt ein Gravitationswellen-Ereignis pro Woche.

Die schon von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen entstehen, wenn Objekte großer Massen wie Neutronensterne oder Schwarze Löcher kollidieren oder wenn schwere Sterne explodieren. Bis diese Erschütterungen der Raumzeit aber bei uns ankommen, sind ihre Wellen so schwach, dass sie bislang nur von drei Detektoren weltweit registriert werden können: Virgo in Italien und die beiden LIGO-Detektoren in den USA.

Quantenvakuum-Presse
Dieses unscheinbare Ensemble aus Spiegeln und einem Kristall ist die neue Quantenvakuum-Presse der LIGO-Detektoren. © Maggie Tse/ MIT

Wie das Poppen von Popcorn

Doch auch die Reichweite dieser Detektoren ist noch begrenzt – und schwächere Ereignisse wie Supernovae könne sie gar nicht detektieren. Einer der Gründe dafür ist das Quantenrauschen: „Dieses Quantengeräusch ähnelt dem ständigen Ploppen von Popcorn, das alle Messungen unserer Interferometer untermalt – das macht die Messungen schwierig“, erklärt Nergis Mavalvala vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Diese Störgeräusche entstehen durch die sogenannten Vakuumfluktuationen: Obwohl die vier Kilometer langen Lasermessstrecken der LIGO-Detektoren in Vakuumröhren liegen, sorgt die Quantenphysik dafür, dass selbst dort immer wieder spontan Teilchen aus dem Nichts auftauchen und wieder verschwinden. Weil unter ihnen auch Photonen sind, „kontaminieren“ diese Lichtteilchen die Laserstrahlen und machen die Signale dementsprechend ungenau.

Gedämpfte Vakuumfluktuationen

Abhilfe schafft nun eine optimierte Form einer „Quantenpresse“. Dieser Aufbau aus einem Kristall mit speziellen optischen Eigenschaften und mehreren Spiegeln führt dazu, dass die Vakuumfluktuationen gedämpft werden. Konkret verringert der Quantenvakuum-Squeezer die Phase der spontan auftauchenden Photonen – denn dies ist das Merkmal der Messlaser, das für die Detektion der Gravitationswellen ausgelesen wird.

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„Die Herausforderung ist allerdings, dass der gequetschte Vakuumzustand sehr fragil und empfindlich ist“, erklärt Maggie Tse vom MIT. „Ein Fehler und das Ganze springt wieder in den ungedämpften Zustand zurück.“ Dennoch gelang es den Physikern, jetzt beiden LIGO-Detektoren mit solchen Quantenpressen auszurüsten – und das Störrauschen signifikant zu verringern.

Chance auf Detektion ganz neuer Phänomene

Als Folge dieser „Aufrüstung“ ist nun die Reichweite beider LIGO-Detektoren für Gravitationswellen aus Kollisionen Schwarzer Löcher um rund 400 Millionen Lichtjahre gestiegen. „Wir werfen damit ein größeres Netz aus“, erklärt Malvalvala. Schon jetzt detektiert LIGO dadurch fast wöchentlich ein neues Ereignis statt wie zuvor nur einmal alle ein bis zwei Monate.

Gleichzeitig aber bedeutet die bessere Sensitivität auch, dass die Forscher nun auch Wellen aus schwächeren, möglicherweise ganz neuen Quellen identifizieren können. „Wenn die Rate der detektierten Ereignisse steigt, dann erfahren wir damit auch mehr über die Quellen von Gravitationswellen“, sagt Malvalvala. „Gleichzeitig erhöht dies die Chance darauf, auch ganz neue, unbekannte Phänomene zu entdecken.“ (Physical Review Letters, 2019)

Quelle: Massachusetts Institute of Technology

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