Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, setzen sie eine enorme Energiemenge frei. Als LIGO 2015 die erste Verschmelzung Schwarzer Löcher entdeckte, fanden wir heraus, dass drei Sonnenmassen Energie als Gravitationswellen freigesetzt wurden. Gravitationswellen interagieren jedoch nicht stark mit Materie. Die Auswirkungen von Gravitationswellen sind so gering, dass Sie es sein müssen extrem nah an einer Fusion, um sie zu spüren. Wie können wir also die Gravitationswellen verschmelzender Schwarzer Löcher über Millionen von Lichtjahren hinweg beobachten?
Es ist lächerlich schwer. Gravitationswellen sind Wellen in der Struktur der Raumzeit. Wenn eine Gravitationswelle ein Objekt durchdringt, verschieben sich die relativen Positionen der Teilchen im Objekt geringfügig, und nur durch diese Verschiebungen können wir die Gravitationswellen erkennen. Aber diese Verschiebung ist winzig. LIGO misst die Verschiebung durch Spiegelpaare, die 4 Kilometer voneinander entfernt sind. Wenn eine starke Gravitationswelle LIGO passiert, verschieben sich die Spiegel nur um einige Tausendstel der Breite eines Protons.
Schematische Darstellung der Funktionsweise von LIGO. Bildnachweis: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
LIGO misst diesen Abstand durch ein Verfahren, das als Laserinterferometrie bekannt ist. Licht hat wellenartige Eigenschaften. Wenn sich also zwei Lichtstrahlen überlappen, verbinden sie sich wie Wellen. Wenn sich die Wellen des Lichts aneinanderreihen oder „in Phase“ sind, überlagern sie sich, um heller zu werden. Wenn sie phasenverschoben sind, heben sie sich auf und werden dunkler. LIGO beginnt also mit einem Lichtstrahl, der in Phase ist, und teilt ihn, indem er einen Strahl entlang eines Arms von LIGO und einen entlang des anderen sendet. Die Strahlen prallen jeweils von einem 4 Kilometer entfernten Spiegel ab und kehren dann zurück, um sich zu einem einzigen Strahl zu verbinden, der von einem Detektor gesehen wird. Ändert sich der Abstand eines Spiegels, ändert sich auch die Helligkeit des kombinierten Lichts.
Die Wellenlänge des Lichts liegt in der Größenordnung eines Mikrometers, Gravitationswellen verschieben die Spiegel jedoch nur um ein Billionstel dieser Entfernung. So lässt LIGO jeden Strahl hunderte Male entlang eines Arms hin und her wandern, bevor er sich kombiniert. Dies erhöht die Empfindlichkeit von LIGO dramatisch, wirft aber auch andere Probleme auf.
LIGO-Spiegel werden aufgerüstet. Bildnachweis: Caltech/MIT/LIGO Lab
Um zu funktionieren, müssen die LIGO-Spiegel von jeglichen Hintergrundvibrationen des Bodens und nahegelegener Instrumente isoliert werden. Dazu werden die Spiegel-Arrays an dünnen Glasfäden aufgehängt. Das gesamte System muss außerdem in ein Vakuum gelegt werden. Der Detektor ist so empfindlich, dass durch die Lichtstrahlen hindurchtretende Luftmoleküle als Rauschen wahrgenommen werden. Der Luftdruck in der Vakuumkammer von LIGO beträgt weniger als ein Billionstel einer Atmosphäre, was niedriger ist als der intergalaktische Raum.
Bis an die Grenzen der menschlichen Ingenieurskunst ist das LIGO-System ein isoliertes Vakuumsystem, bei dem das einzige, was die Spiegel bewegen kann, die Schwerkraft selbst ist. Es ist nicht perfekt, aber sehr gut. So gut, dass die Dinge langsam seltsam werden. Selbst wenn der Detektor perfekt isoliert und in einem perfekten Vakuum platziert wäre, würden die Detektoren immer noch Geräusche aufnehmen. Das System ist so empfindlich, dass es Quantenfluktuationen im leeren Raum erfassen kann.
Eine zentrale Eigenschaft von Quantensystemen ist, dass sie nie ganz festgenagelt werden können. Es ist Teil des Heisenbergschen Unsicherheitsprinzips. Dies gilt sogar für ein Vakuum. Dies bedeutet, dass im Vakuum Quantenfluktuationen auftreten. Wenn Lichtphotonen durch diese Fluktuationen wandern, werden sie ein wenig angerempelt. Dadurch bewegen sich die Lichtstrahlen leicht phasenverschoben. Stellen Sie sich eine Flotte kleiner Boote vor, die über eine raue See segeln, und wie schwierig es wäre, sie zusammenzuhalten.
Eine Nahaufnahme des Quantenquetschers von LIGO. Bildnachweis: Maggie Tse
Aber Quantenunsicherheit ist eine lustige Sache. Obwohl Aspekte eines Quantensystems immer ungewiss sein werden, können Teile davon äußerst präzise sein. Der Haken daran ist, dass, wenn Sie einen Teil präziser machen, ein anderer Teil weniger präzise wird. Für Licht bedeutet dies, dass Sie die Phase des Strahls besser ausgerichtet halten können, indem Sie die Helligkeit des Lichts unsicherer machen. Dies wird als gequetschtes Licht bezeichnet, da Sie eine Unsicherheit auf Kosten einer anderen kleiner machen.
Animation, die einen gequetschten Lichtzustand zeigt. Quelle: Wikipedia-Benutzer Geek3
Dieser gequetschte Lichtzustand wird durch einen optisch parametrischen Oszillator erreicht. Es ist im Grunde genommen eine Reihe von Spiegeln um eine besondere Art von Kristall. Wenn das Licht den Kristall passiert, minimiert es die Phasenschwankungen. Die Amplitudenschwankungen werden größer, aber die Phase ist für die LIGO-Detektoren am wichtigsten.
Mit diesem Upgrade soll sich die Empfindlichkeit von LIGO verdoppeln. Dies wird Astronomen helfen, Verschmelzungen von Schwarzen Löchern klarer zu sehen. Es könnte LIGO auch ermöglichen, neue Arten von Fusionen zu sehen. Solche, die schwächer oder weiter weg sind, als wir sie je zuvor gesehen haben.
Quelle: Neues Instrument erweitert die Reichweite von LIGO , MIT News.
