Vakuumröhre von Geo600
Gravitational-wave astronomy with GEO600
Gravitationswellen-Astronomie mit GEO 600
Das Ziel, Gravitationswellen direkt nachzuweisen, ist jetzt in greifbare Nähe gerückt: Die Gravitationswellen- Interferometer GEO 600 bei Hannover und LIGO in den USA haben den Messbetrieb aufgenommen.
Von Georg Wolschin
Alle bisherigen Tests hat Albert Einsteins 1916 vollendete allgemeine Relativitätstheorie, mit der er die Beschreibung der Gravitation auf eine neue Grundlage stellte, mit großem Erfolg bestanden. Schon 1919 wurde bei zwei Sonnenfinsternis-Expeditionen die Vorhersage der Ablenkung des Lichtes von Sternen beim Vorbeigang an der Sonne grob bestätigt, nach 1969 dann sehr viel genauer durch radiointerferometrische Messungen an Quasaren. Die im Rahmen der Newtonschen Gravitationstheorie nicht ganz erklärbare Drehung des Perihels der Merkurbahn - es gibt dort eine Abweichung von 43,11 Bogensekunden pro Jahrhundert - versteht man ebenfalls auf der Grundlage der Relativitätstheorie. Und die Rotverschiebung von Spektrallinien in Gravitationsfeldern stimmt mit der Vorhersage überein - das bestätigen Messungen von Emissionslinien im Sonnenspektrum und Experimente mit Atomuhren in Flugzeugen (dort kommt die Zeiditdilatation als Effekt der speziellen Relativitätstheorie hinzu).
Bisher nur indirekt bestätigt ist jedoch die auch aus dem Jahre 1916 stammende Voraussage, dass Massen im astronomischen Maßstab Gravitationswellen aussenden können, wenn sie in starken Feldern beschleunigt werden. Diese Bestätigung stammt von Präzisionsmessungen an einem Doppelpulsar, den Russell Hulse und Joseph Taylor 1974 entdeckt und anschliessend genau untersucht hatten: Durch die Abstrahlung von Gravitationswellen wird die Umlaufbahn in diesem Doppelsternsystem kleiner und die Umlaufperiode nimmt um 75,6 millionstel Sekunden im Jahr ab, und das wurde in der mehrere Jahre dauernden Messung sehr genau verifiziert.
Der direkte Nachweis von Gravitationswellen - analog zum Empfang von Radiowellen - ist bisher aber noch nicht gelungen. Der erfolgversprechendste Weg dazu ist die interferometrische Messung von Gravitationswellen (siehe frühere Artikel div. Autoren). Ende letzten Jahres hat ein solches Gerät in Europa - GEO600 in Ruthe bei Hannover - den Probemessbetrieb begonnen, und wurde bald darauf zu einer gemeinsamen Messkampagne mit dem amerikanischen LIGO- System zusammengeschaltet. Dieses System ist wesentlich größer und teurer (zwei Interferometer mit 4 Kilometern Armlänge, und eines mit halber Länge), hat aber nicht ganz so hoch entwickelte optische Komponenten wie GEO (600 Meter Armlänge). Das italienisch-französische Gerät VIRGO mit 3 Kilometern Armlänge wird erst in etwa zwei Jahren betriebsbereit sein. Das folgende Gespräch mit Karsten Danzmann - dem Leiter von GEO600 - beschreibt die mittelfristigen Perspektiven dieser Forschungen.
Gespräch mit Prof. Karsten Danzmann, Max Planck Institut für Gravitationsphysik
(Albert Einstein Institut), Abteilung Laser-Interferometrie und Gravitationswellen-Astronomie, über GEO 600
GW: Welche der möglichen Quellen von Gravitationswellen werden mit dem Laserinterferometer GEO 600 am leichtesten nachweisbar sein?
K Danzmann: Es wäre schön, wenn wir das jetzt schon wüssten - wenn Sie in einigen Jahren wieder fragen, kann ich Ihnen das genau sagen. Wir haben einige Ideen: Es gibt Standard- quellen, an denen man sich orientiert und nach denen man versucht, den Detektor zu optimieren. Diese Quellen können wir berechnen - das heisst aber nicht, dass dies diejenigen Quellen sind, die die Natur uns liefert. Es kann sogar sein, dass es noch viel schönere gibt, denn unser bisheriges Wissen über das Universum ist auf elektromagnetische Beobachtungen beschränkt. Andere Quellen, die bevorzugt Gravitationswellen aussenden, können wir gar nicht vorhersagen, weil sie sich im elektromagnetischen Spektrum nicht zeigen. Insofern hat jeder von uns seine Lieblingsquelle, von der er denkt, das werde die erste sein.
GW: Was ist Ihre Lieblingsquelle?
K Danzmann: Ich glaube, es werden Doppelsternsysteme aus zwei kleinen schwarzen Löchern sein, die miteinander verschmelzen. Es könnte aber vielleicht auch eine monochromatische Quelle sein. Geo 600 ist so ausgelegt, dass wir den Crab-Pulsar gerade noch in unserem Frequenzfenster haben. Dieser Neutronenstern verliert Energie; wenn Gravitationswellen- Abstrahlung die Ursache ist, können wir das erwartete Signal berechnen. Es wäre mit GEO nachweisbar, wenn der gesamte Energieverlust darauf zurückzuführen ist.
GW: Nun gibt es schon ein Beispiel, wo Gravitationswellen indirekt nachgewiesen sind: beim Hulse-Taylor Pulsar, der 1974 entdeckt wurde und bei dem die Abnahme der Bahn- periode innerhalb von 0,3 Prozent mit der Voraussage der allgemeinen Relativitätstheorie für Gravitationswellen-Abstrahlung übereinstimmt. Gibt es eine Aussicht, dass Sie sein Signal mit GEO nachweisen?
K Danzmann: Nein. Wir müssten noch sehr lange warten, bis dieser Pulsar ein Signal erzeugt, das GEO sehen könnte: Es dauert noch etwa 300 Millionen Jahre, bis dieses Doppelsternsystem verschmelzen wird, und erst in der letzten Phase der Verschmelzung entsteht ein Signal, das ins Frequenzfenster von GEO fällt.
GW: Was ist der Frequenzbereich von GEO?
K Danzmann: Wir erwarten Frequenzen von etwa 50 Hertz bis zu einigen Kilohertz.
GW: Wieweit haben Sie die Störquellen unter Kontrolle - seismische Erschütterungen, Wärmebewegung der optischen Komponenten und der Luft, Schrotrauschen?
K Danzmann: Das ist ein ständiger Kampf. Wenn man eine Rauschquelle beseitigt hat, verbessert sich die Empfindlichkeit soweit, dass man der nächsten Rauschquelle aufsitzt und an der arbeitet - man braucht schon sehr viel Geduld dazu. Das seismische Rauschen ist sehr gut verstanden und beherrschbar. Heute ist das keine schwarze Magie mehr. Man weiss, wie man Vibrationsisolations-Anlagen zu bauen hat, es ist nur eine Frage des Aufwandes, den man bereit ist zu treiben. Das Photonen-Schrotrauschen bei den höheren Frequenzen ist auch relativ gut verstanden. Es gibt aber neue Entwicklungen, so dass man mit modernen Methoden der Quantenoptik in fünf bis zehn Jahren noch einige Fortschritte machen kann. Wir sehen hier zumindest keine fundamentalen Grenzen. Das thermische Rauschen im mittleren Frequenzbereich ist dagegen noch relativ schlecht verstanden. Wir wissen nicht wirklich genau, wie die Form des thermischen Rauschens aussehen wird - das ist der mühsamste Teil der Empfindlichkeitskurve allein deshalb schon, weil Kühlen so schwierig ist.
GW: Würde es wesentlich helfen, wenn Sie die Apparatur in Zukunft auf etwa 1 Millikelvin kühlen?
K Danzmann: Ja, das würde ohne Zweifel helfen. Man muss allerdings schon deutlich kühlen, weil das thermische Rauschen nicht direkt proportional mit der Temperatur abnimmt, sondern etwas langsamer, nämlich nur mit der Wurzel aus der Temperatur. Flüssig-Helium Temperatur ist deshalb das mindeste, was man erreichen muss. Das ist jedoch nicht so einfach, denn man darf die Spiegel nicht berühren. Normalerweise bringt man beim Kühlen einen Kontaktfinger oder ein Kühlgas an den zu kühlenden Gegenstand. Das geht hier nicht, denn die Spiegel müssen völlig isoliert sein, und man kann nur über Strahlung kühlen. Die Strahlungskühlung ist jedoch durch die endliche Spiegelfläche begrenzt. Auf der anderen Seite gibt es auch einen Heizmechanismus, nämlich den Laserstrahl selbst.
GW: Sie wollen die Lichtleistung des Lasers durch Power-Recycling auf etwa 10 Kilowatt verstärken. Ist dieser Wert schon erreicht?
K Danzmann: Im Moment läuft GEO mit einem etwas kleineren Recyclingfaktor, um den Betrieb zu vereinfachen, aber in unserer 30-Meter-Prototypanlage haben wir bereits sehr hohe Recyclingfaktoren erreicht.
GW: Sie wollen ausserdem das Signal durch ein "Signal-Recycling" überhöhen, damit es leichter nachweisbar wird. Funktioniert das schon?
K Danzmann: Auch das haben wir an einem kleineren Interferometer bereits demonstriert. An GEO 600 ist es allein aus Gründen des Zeitplans noch nicht installiert, das wird jetzt im Sommer passieren.
GW: Wann können Sie mit dem wissenschaftlichen Messbetrieb beginnen?
K Danzmann: Vielleicht als Weihnachtsgeschenk 2002.
GW: Werden dann auch die Detektoren LIGO in den USA und VIRGO in Italien schon mit GEO zusammenarbeiten?
K Danzmann: LIGO arbeitet mit dem gleichen Zeitplan wie wir, wird also gleichzeitig mit der Datenaufnahme beginnen. VIRGO wird mit ein bis zwei Jahren Verzögerung hinterherkommen.
GW: Wann könnte also frühestens ein Gravitationswellensignal koinzident - gleichzeitig von GEO und LIGO - nachgewiesen werden?
K Danzmann: Heiligabend 2002.
GW: Es auch schon Pläne für neue Detektoren wie das europäische Projekt zweiter Generation EURO. Wann ist dort ein Baubeginn geplant?
K Danzmann: Vielleicht in 10 Jahren.
GW: Wann wird der Baubeginn des Weltrauminterferometers LISA für den Nachweis der tiefen Frequenzen sein?
K Danzmann: Wir werden relativ bald anfangen; genau genommen haben wir bereits angefangen. Nach Jahren der Planung und des Sandkastenspielens beginnt bei LISA jetzt echte Technologie- und Hardwareentwicklung. Gegenwärtig laufen 17 verschiedene Technologieentwicklungs- Programme, die von der ESA finanziert werden. LISA soll 2011 starten.
Illustration des Gesprächs mit Abbildungen von der GEO600-Website:
Vakuumröhre von Geo600
Aussenansicht von GEO600 (Universität Hannover)
Siehe Spektrum d. Wissenschaft 3 (2002) für den redigierten und illustrierten Artikel unter dem Titel:"Das ist ein ständiger Kampf",
sowie den Beitrag Jagd auf Gravitationswellen.
