Ein internationales Physikerteam hat einen kleinen interferometerbasierten Bewegungssensor entwickelt, der zur Leistungssteigerung von Gravitationswellendetektoren eingesetzt werden könnte. Das zentimetergroße Gerät kann die Verschiebung von Testmassen bei niedrigen Frequenzen mit einer Genauigkeit im Sub-Pikometer-Bereich messen. Die Forscher glauben, dass ihre technischen Innovationen zu neuen Möglichkeiten bei der Detektion von Gravitationswellen führen könnten – und es Astronomen ermöglichen würden, Ereignisse zu beobachten, die bisher durch Rauschen verdeckt blieben. Es könnte auch in anderen Bereichen wie Seismologie und Metrologie eingesetzt werden.
Die LIGO- und Virgo-Observatorien sind kilometergroße Interferometer, die Gravitationswellen erkennen, indem sie die Positionen großer Spiegel überwachen, die außergewöhnlich kleine Verschiebungen erfahren, wenn eine Gravitationswelle die Erde passiert. Bisher haben sie Dutzende Signale von Gravitationswellen empfangen, die größtenteils aus der Verschmelzung von Paaren von Schwarzen Löchern mit Sternmasse stammen. Basierend auf diesem ersten Erfolg hoffen Astronomen nun, die niederfrequenten Gravitationswellen nachzuweisen, die durch die Verschmelzung viel größerer Schwarzer Löcher mittlerer Masse entstehen, die hunderte oder sogar tausende Male so groß sind wie die Masse der Sonne.
Leider verhindern seismische und andere Störungen derzeit, dass LIGO und Virgo die erforderliche Empfindlichkeit erreichen, die zur Messung dieser niederfrequenten Signale erforderlich ist. Die Wirkung dieses Rauschens kann bis zu einem gewissen Grad kontrolliert werden, indem die Bewegungen, die es in den Spiegeln und anderen Komponenten der Observatorien verursacht, überwacht und gedämpft werden.
Kommerzielle Komponenten
Jetzt, Jiri Smetana an der Universität Birmingham und Kollegen haben kommerziell erhältliche optische Komponenten verwendet, um einen Verschiebungsdetektor zu entwickeln, der ihrer Meinung nach für diese Rauschunterdrückungssysteme geeignet ist.
Der Sensor besteht aus zwei Michelson-Interferometern, die von einem einzigen Laser angetrieben werden. Jedes Interferometer besteht aus einem Sensorkopf und einem Spiegel. Einer der Sensorköpfe ist Teil einer Rückkopplungsschleife, die die Frequenz des Lasers stabilisiert und so die Leistung des Systems steigert.
Quantenquetschen steigert die Leistung der Gravitationswellendetektoren LIGO und Virgo
Das Team verwendete eine Technik namens Tiefenfrequenzmodulation, um die Verschiebung der Spiegel aus den gemessenen Interferometerstreifen zu berechnen. Mit dieser Technik können winzige Bewegungen über einen weiten Frequenzbereich erfasst werden. Tatsächlich hatte das System eine Empfindlichkeit von 0.3 pm/√Hz bei einer Frequenz von 1 Hz und ist 300-mal besser als ein Sensortyp, der derzeit in LIGO verwendet wird.
Der Sensor ist nur wenige Zentimeter groß und daher ein geeigneter Kandidat für zukünftige Upgrades bestehender Gravitationswellendetektoren – Upgrades, die mit minimalen Auswirkungen auf die bestehende Infrastruktur implementiert werden könnten.
Mit diesen Verbesserungen vermuten die Forscher, dass Astronomen möglicherweise erstmals Verschmelzungen zwischen Schwarzen Löchern mittlerer Masse erkennen können. Die Möglichkeit, niederfrequente Signale zu messen, wäre auch für die Multimessenger-Astronomie nützlich, da sie es ermöglichen würde, Signale weiter vor Fusionsereignissen zu erkennen. Der Sensor könnte auch in anderen Instrumenten zum Einsatz kommen, die kleinste Verschiebungen erfassen – etwa Torsionswaagen und Seismometer.
Die Forschung ist beschrieben in Körperliche Überprüfung angewendet.
