Beobachtung von Gravitationswellen bei LIGO

Im Jahr 2017 entdeckten Astronomen Gravitationswellen aus einer Fusion von zwei Neutronensternen. Wie haben sie dieses Ereignis entdeckt? Mithilfe von zwei Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorien (LIGO) in den USA. Ein ähnliches Observatorium namens VIRGO in Europa ist auch an der Detektion von Gravitationswellen beteiligt.

Wie funktioniert ein Interferometer?

1887 erfand Albert Michelson das Gerät, das wir als Interferometer bezeichnen. Er entwarf es, um zu beweisen, ob leuchtender Äther im Weltraum existiert oder nicht. Der leuchtende Äther galt als Medium, in dem Licht durch den Weltraum getragen wurde. Darüber hinaus widerlegte Michelsons Gerät diese Theorie und 1920 bestätigten Wissenschaftler seine Ergebnisse. Ein Interferometer kombiniert zwei oder mehr Lichtquellen, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Anschließend kann das Muster gemessen und analysiert werden. Mit Lasern konnten Interferometer mikroskopische Messungen durchführen. Tatsächlich können die Interferometer von LIGO Wellenabstände bei einem Zehntausendstel der Breite eines Protons messen. (Caltech, 2018)

Außerdem unterscheidet sich die Grundstruktur der Interferometer von LIGO kaum von dem Interferometer, das Michelson vor über 125 Jahren entworfen hat. Heutzutage messen Interferometer alles von mikroskopischen Organismen über riesige Weltraumbereiche bis hin zu Gravitationswellen.

Bildnachweis: PBS

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Bau von LIGO

Eine LIGO-Einheit besteht aus einem Laser, einem Strahlteiler, Spiegeln und einem Fotodetektor.

1. Der Laser durchläuft einen Strahlteiler, der den Strahl in zwei Strahlen teilt.
2. Bei Verwendung eines Spiegels wird der zweite Strahl in einem Winkel von 90 Grad zum ersten reflektiert.
3. Jeder Strahl läuft dann einen Arm des Interferometers entlang. An diesem Punkt trifft er dann auf einen Spiegel.
4. Der Spiegel reflektiert die Strahlen in Richtung des Strahlteilers und vereinigt die Strahlen so wieder zu einem einzigen Strahl.

Warum?

Bei dieser „Vereinigung“ gelangen die Lichtwellen zum Fotodetektor. Ab hier misst der Fotodetektor die Helligkeit des kombinierten Strahls. Wenn zwei Strahlen eines Laserlichts verschmelzen, erzeugen sie ein Interferenzmuster, das davon abhängt, wie gut die Lichtwellen auf einander ausgerichtet sind, wenn sie kombiniert werden. Wenn die laser aus irgendeinem Grund jedoch nicht die gleiche Entfernung zurücklegen, richten sich ihre Lichtwellen nicht mehr auf einander aus, wenn sie sich wieder treffen. Was bedeutet das? Das bedeutet, dass Gravitationswellen die Lichtbewegung beeinflussten.

Interferenz

In einem Interferometer weist jede Änderung der Lichtintensität darauf hin, dass sich die von einem oder beiden Laserstrahlen zurückgelegte Strecke geändert hat. Darüber hinaus kann anhand des Interferenzmusters genau berechnet werden, wie viel die aufgetretene Längenänderung beträgt.

Die Interferometer von LIGO haben Arme mit einer Länge von 4 km. Darüber hinaus sind die Arme 360-mal größer als die im Michelson-Morley-Experiment verwendeten (mit 11 m langen Armen). Dies ist besonders wichtig bei der Suche nach Gravitationswellen, da das Instrument umso empfindlicher wird, je länger die Arme eines Interferometers sind und je weitere Strecken der Laser zurücklegt. (Caltech, 2018) Die Europäer haben Pläne für das Einstein-Teleskop mit 10 km langen Detektionsarmen. Je länger die Arme sind, desto besser können sie Gravitationswellen erkennen. Die weltraumgestützte LISA der ESA wird auch Laser verwenden, um Objekte im Weltraum zu messen.

Es hat über 100 Jahre gedauert, bis das Interferometer von Albert Michelson sein volles Potenzial entfaltet hat. Wir freuen uns darauf, die Ergebnisse seiner erstaunlichen Erfindung in den kommenden Jahren zu sehen.