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VIRGO
Gravitationswellenjagd mit gequetschtem Licht
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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9. Dezember 2019

Wie lassen sich Gravitationswellendetektoren noch empfindlicher machen, damit sie etwa noch mehr Signale entfernter kollidierender Neutronensterne aufspüren? Die Antwort lautet, wie schon seit vielen Jahren bei GEO600 erprobt: mit gequetschtem Licht. Jetzt wurde das Verfahren auch erstmals erfolgreich bei einem großen Gravitationswellendetektor angewandt.

Quetschlichtquelle

Die AEI-Forscher Harald Lück, Moritz Mehmet und Henning Vahlbruch installieren gemeinsam mit Virgo-Kolleginnen und Kollegen die in Hannover entwickelte Quetschlichtquelle in einem Reinraum am Gravitationswellen-Detektor Virgo.  Bild:  H. Lück / B. Knispel / Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik [Großansicht]

Eine von Forschern des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) entwickelte Quetschlicht-Quelle für den Gravitationswellen-Detektor Virgo nahe Pisa hat ihre Fähigkeiten in den vergangenen Monaten beeindruckend unter Beweis gestellt. Das zeigen die jetzt veröffentlichten aktuellen Daten aus dem dritten Beobachtungslauf (O3) des internationalen Detektor-Netzwerks.

Durch den Einsatz der neuen Quetschlichtquelle sinkt das dominante quantenmechanische Hintergrundrauschen des Detektors um etwa ein Drittel. Damit kann Virgo beispielsweise bis zu 26% häufiger Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen aufspüren. Auch für geplante Detektoren der dritten Generation wie das Einstein-Teleskop spielt der Einsatz von Quetschlicht eine entscheidende Rolle. Geliefert und in Betrieb genommen wurde die Quetschlichtquelle Anfang 2018. Seit Beginn von O3 am 1. April 2019 sorgt sie für eine wesentlich höhere Empfindlichkeit von Virgo.

Die Empfindlichkeit der Gravitationswellen-Observatorien im heutigen internationalen Netzwerk (Advanced LIGO, Advanced Virgo, GEO600) ist in einem großen Teil ihres Messbereichs durch quantenmechanisches Hintergrundrauschen begrenzt. Grundlegend beseitigen lässt sich diese unmittelbare Konsequenz der Quantenmechanik nicht. Sogenannte Quetschlicht-Quellen, die besonders manipulierte quantenmechanische Zustände erzeugen, können das Hintergrundrauschen aber so modifizieren, dass es die Messungen weniger stört.

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Jetzt veröffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Virgo-Kollaboration zusammen mit vier Forschern des AEI (Albert-Einstein-Institut) in Hannover ihre Ergebnisse zum erstmaligen sehr erfolgreichen Einsatz einer solchen Quetschlichtquelle im Virgo-Detektor. In einer parallelen Veröffentlichung berichtet die LIGO-Scientific-Kollaboration über den Einsatz von Quetschlicht in den LIGO-Detektoren.

"Der Einsatz von Quetschlicht ist eine Notwendigkeit zur weiteren Erhöhung der Messgenauigkeit der Gravitationswellen-Observatorien. Am deutsch-britischen GEO600-Detektor nahe Hannover kommt die Technologie seit 2010 routinemäßig zum Einsatz und ist seit Ende 2018 auf Weltrekordniveau in Betrieb", sagt Henning Vahlbruch, wissenschaftlicher Mitarbeiter am AEI Hannover.

Seit Beginn des dritten Beobachtungslaufs am 1. April 2019 setzen auch Virgo und beide LIGO-Detektoren diese Technologie ein. "In den derzeitigen Detektoren wirkt sich der Einsatz einer Quetschlicht-Quelle wie eine Erhöhung der Laserleistung aus, aber vollkommen ohne die dabei auftretenden Nachteile wie die verstärkte Erhitzung optischer Bauteile", erklärt Moritz Mehmet, wissenschaftlicher Mitarbeiter am AEI Hannover. Der Einsatz von Quetschlichtquellen verringert das Hintergrundrauschen in einem Großteil des Messbereichs, so dass sich schwächere Gravitationswellen leichter beobachten lassen.

Der basierend auf der GEO600-Quetschlichtquelle von Vahlbruch und Mehmet entwickelte Aufbau bei Virgo kam in der ersten Hälfte von O3 erfolgreich zum Einsatz. Die neue Studie beschreibt die signifikante – bis zu einem Drittel – Verringerung des Quantenrauschens in Virgo, die dadurch dauerhaft – routinemäßig während 99% der Messzeit – erreicht wurde. Die Häufigkeit mit der Virgo Gravitationswellen-Signale verschmelzender Neutronensterne nachweisen kann, steigert sich dadurch um bis zu 26%.

Während O3 wurden bislang 35 Gravitationswellen-Kandidaten von LIGO und Virgo identifiziert, darunter auch mögliche Verschmelzungen von Neutronensternen. Die Forscherinnen und Forscher der Virgo-Kollaboration und die AEI-Forscher untersuchten zudem die Faktoren, die den Einsatz der Quetschlichtquelle begrenzen. Der Aufbau speist Quantenzustände mit verringertem Rauschen – gewissermaßen eine Dunkelheit, die besser ist als die Natur normalerweise erlaubt – in den Detektor ein; die erzielte Verringerung des Detektorrauschens hängt empfindlich von der Verlusten bei diesem Einspeisen ab. Durch detaillierte Messungen zeigte das Team, dass mit derzeitiger Technologie bei Virgo zukünftig eine Verringerung des Quantenrauschens von bis zu einem Faktor zwei erreichbar ist.

Die Empfindlichkeit aller interferometrischen Gravitationswellen-Detektoren lässt sich langfristig nur durch die Verwendung von ähnlichen Quetschlichtquellen weiter steigern. "Geplante Gravitationswellen-Observatorien der dritten Generation wie das europäische Einstein-Teleskop sind auf Quetschlicht-Technologie angewiesen. Die erfolgreiche Anwendung in Virgo ist ein weiterer wichtiger Schritt in die Zukunft der Gravitationswellen-Astronomie", so Lück, Gruppenleiter am AEI Hannover.

Über ihre Resultate berichten die Teams in zwei Fachartikeln, die in den Physical Review Letters erschienen sind.

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siehe auch
Gravitationswellen: Dritter Beobachtungslauf fortgesetzt - 12. November 2019
Virgo: Empfindlicher durch Quetschlicht - 26. Januar 2018
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
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