Die Wellenjäger

Erschüttern Einsteins Gravitationswellen das Universum?

Als Albert Einstein 1916 im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen voraussagte, war er fest davon überzeugt, diese kleinsten Veränderungen der Raumzeit werde man niemals messen können. Bis heute gehört der direkte Nachweis von Gravitationswellen zu den wichtigsten offenen Fragen der modernen Wissenschaft. Ihre direkte Beobachtung wird das Zeitalter der Gravitationswellenastronomie eröffnen und damit völlig neue Einblicke ins Universum ermöglichen – bis hin zu seiner Entstehung.

Gravitationswellen werden mit Licht gemessen

Als geeignete Methode, die winzigen Stauchungen und Dehnungen der Raumzeit beim Durchgang einer Gravitationswelle zu beobachten, hat sich in den vergangenen Jahrzehnten die Laserinterferometrie herauskristallisiert. Ein Interferometer nutzt dabei die Welleneigenschaften der Lichts aus: eine Verschiebung zweier Teilwellen oder Teilstrahlen gegeneinander wird vom Interferometer in Helligkeitsschwankungen umgewandelt, die man leicht messen kann.

Schon heute können die Gravitationswellendetektoren der ersten Generation, also z. B. der deutsch-britische Detektor GEO600 in Ruthe bei Hannover, Längenänderungen einer Messstrecke  auf 10-19 m genau messen – diese Größe ist vergleichbar mit einem 10.000stel des Durchmessers eines Protons. Mit einer solchen Messgenauigkeit können inspiralling black hole binaries bis zu einer Entfernung von 15 Millionen Lichtjahren von der Erde aus beobachtet werden. Der so zugängliche Teil des Universums umfasst mehrere Dutzend Galaxien.

Das Rauschen der Lichtquanten - warum es uns stört und wie wir es quetschen

In Gravitationswellendetektoren wird Laserlicht eingesetzt, um die winzigen Dehnungen und Stauchungen des Raumes zu messen, die beim Durchgang einer Gravitationswelle entstehen. Durchquert eine Gravitationswelle den Detektor, verändert sie die Länge des Laserstrahls und damit die Intensität des Laserlichts am Ausgang des Detektors. Im Takt der Gravitationswelle wird dann über den photo-elektrischen Effekt ein entsprechender Photostrom erzeugt, dessen Daten gespeichert und verarbeitet werden können.

Es ist offensichtlich, dass das ursprüngliche Laserlicht möglichst keine Schwankungen in seiner Intensität zeigen sollte, damit noch winzigste Signale gemessen werden können. Beim Versuch, Licht ohne Intensitätsfluktuationen herzustellen, stellte man jedoch fest, dass die Quanteneigenschaft aller Objekte in der Natur stört. Denn: Licht ist in Photonen portioniert, die statistisch im Strahl verteilt sind. Diese Statistik führt dann auch zu Schwankungen der gemessenen Helligkeit auf den Zeitskalen der Gravitationswelle, und damit zu einem Rauschen, das die Messempfindlichkeit limitiert. Dieses Quantenrauschen wird auch "Schrotrauschen" genannt, in Analogie zu den unkorrelierten Kugeln einer Schrotsalve.

Die neuesten Forschungsergebnisse der Wissenschaftler am Albert-Einstein-Institut in Hannover zeigen jedoch: Licht mit verbessertem Quantenrauschen kann hergestellt und in Gravitationswellendetektoren genutzt werden! Dazu müssen Photonen miteinander korreliert werden, z.B. indem der zeitliche Abstand der Photonen einheitlicher festgelegt wird. Man spricht in diesem Fall von Licht mit "gequetschtem" Quantenrauschen.

Das Projekt

Genau hier setzt das Projekt von  Dr. Henning Vahlbruch und Alexander (Sascha) Khalaidovski an.  Sie sind junge Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Roman Schnabel am Albert-Einstein-Institut Hannover und im Exzellenzcluster QUEST. Mit ihrer Arbeit liefern sie einen weiteren Baustein, um den großen Gravitationswellendetektor GEO 600 in seiner Empfindlichkeit zu verbessern. Als weltweit erste Gruppe bereiten sie am AEI den Aufbau einer Lichtquelle mit verbessertem Quantenrauschen vor – ein quantenoptisches Experiment, dessen gequetschtes Licht sowohl den gesamten für Gravitationswellendetektoren benötigten Frequenzbereich abdeckt, als auch einen hohen „Quetschgrad“ aufweist. Diese Lichtquelle soll im nächsten Schritt – der im Videotagebuch dokumentiert wird – in den Detektor eingebaut werden. Der Einsatz dieser Technologie in den Gravitationswellendetektoren der dritten Generation würde es ermöglichen, alle Verschmelzungen von leichten Schwarze Löcher fast im gesamten Universum zu detektieren. Damit wird das Kleinste, nämlich die Quantenphysik, zum ersten Mal genutzt um das Größte, nämlich das Universum, zu erforschen.

GEO600

Ein zentrales Forschungsvorhaben, an dem der Hannoveraner Exzellenzcluster QUEST beteiligt ist, ist das deutsch-britische Gravitationswellenobservatorium GEO600 in Ruthe bei Hannover. Gemeinsam mit den US-amerikanischen LIGO-Detektoren sowie dem französisch-italienischen VIRGO-Projekt wird hier daran gearbeitet, erstmals die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen direkt zu messen, um bisher nicht zugängliche Bereiche unseres Universums sehen bzw. hören zu können, Raum und Zeit besser verstehen zu lernen.

Die Messung von Gravitationswellen ist eine internationale Herausforderung, denn um die schwachen Signale beobachten zu können, sind extrem leistungsstarke und präzise Messtechnologien erforderlich. Die Hannoveraner QUEST- und GEO600-Wissenschaftler sind auf diesem Gebiet weltweit führend. Sie haben beispielsweise neue Methoden in der Laserkühlung und Atominterferometrie entwickelt, die es ermöglichen, die Quantennatur von Licht- und Materieteilchen als Werkzeuge einsetzen zu können.

GEO600 gilt als „think tank“ unter den Gravitationswellendetektoren. Während sich die Partnerprojekte derzeit auf die nächste Messreihe vorbereiten, bei der die modernsten Laser der Welt eingesetzt werden – sie wurden in Hannover entwickelt –  , ist GEO600 schon einen Schritt weiter: Hier wird in den kommenden Monaten erstmals mit gequetschtem Licht und gequetschtem Vakuum gearbeitet – Technologien, die in der nächsten Generation der Gravitationswellenobservatorien eingesetzt werden sollen.

Albert-Einstein-Institut (AEI) Hannover

Am Albert-Einstein-Institut Hannover betreiben Max-Planck-Gesellschaft und Leibniz Universität Hannover gemeinsam experimentelle Gravitationswellenforschung. Dazu gehört sowohl die Grundlagenforschung als auch die angewandte Forschung auf den Gebieten Laserphysik, Vakuumtechnik, Vibrationsisolation sowie die klassische Optik und Quantenoptik. Weitere Forschungsschwerpunkte sind die Entwicklung und Realisierung von Algorithmen zur Datenanalyse für verschiedene Typen von Quellen für Gravitationsstrahlung. Zusammen mit dem in Potsdam angesiedelten theoretischen Teil des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik bildet das Albert-Einstein-Institut ein weltweit einzigartiges Zentrum für Gravitationsphysik, das alle ihre Aspekte abdeckt.
 
Gemeinsam mit britischen Forschungseinrichtungen betreibt das AEI Hannover in Ruthe bei Hannover den Gravitationswellendetektor GEO600. Die  Wissenschaftler des Instituts sind außerdem federführend an LISA (Laser Interferometer Space Antenna), dem geplanten Gravitationswellendetektor im Weltraum beteiligt. Das Gemeinschaftsprojekt von NASA und ESA soll ab 2021 Gravitationswellen im Weltraum messen und damit erstmals so tief ins Universum hinein „hören“ können wie niemals zuvor.

Darüberhinaus sind die AEI Wissenschaftler maßgeblich an der Entwicklung des Einstein Teleskops (ET) beteiligt, einem internationalen Gravitationswellenobservatoriums der dritten Generation.

Der Exzellenzcluster QUEST, Hannover

Im Rahmen des Exzellenzcluster QUEST betreiben sechs Institute der Leibniz Universität Hannover und fünf weitere Forschungseinrichtungen aus Niedersachsen und Bremen eine einzigartige Forschung am Quantenlimit. Ziel der wissenschaftlichen Arbeit ist es, ganz fundamentale Fragen der Physik – unter anderem nach der Struktur und den grundlegenden Kräften unseres Universums – zu beantworten. Mit nie da gewesener Präzision werden QUEST-Wissenschaftler mit ihren neuen Messtechnologien unverstandene physikalische Phänomene untersuchen. Sie forschen unter anderem an einzelnen Atomen, Atominterferometern, atomaren Quantensensoren, Lasern und Atomuhren sowie im Bereich der Astronomie mit Gravitationswellen sowie der Erdbeobachtung und Geodäsie.
 
An QUEST beteiligte wissenschaftliche Einrichtungen:
Leibniz Universität Hannover: Institut für Quantenoptik (IQ), Institut für Gravitationsphysik (IGP), Institut für Theoretische Physik (ITP), Institut für Festkörperphysik (IFKP), Institut für Erdmessung (IFE), Institut für Angewandte Mathematik (IFAM), Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI), Hannover, Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), Hannover, Gravitationswellendetektor GEO600, Ruthe, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig, Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation(ZARM), Bremen




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