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Dokumentation über die Entwicklung der Quetschlichtquelle von GEO600

Quetschlicht

Neuer Quetschlicht-Rekord bei GEO600

Der deutsch-britische Gravitationswellen-Detektor macht einen wichtigen Schritt zu Observatorien der dritten Generation wie dem Einstein-Teleskop.

13. Dezember 2018

Einsteins Gravitationswellen nachzuweisen, erfordert hochpräzise Lasermessungen kleiner Längenänderungen. Die kilometergroßen Detektoren des internationalen Netzwerks (GEO600, LIGO, Virgo) sind so empfindlich, dass sie grundlegend durch winzige quantenmechanische Effekte begrenzt sind. Diese verursachen ein Hintergrundrauschen, das sich mit den gesuchten Gravitationswellensignalen überlagert. Dieses Rauschen ist immer vorhanden und lässt sich nie ganz beseitigen. Aber man kann seine Eigenschaften so verändern, dass es die Messung weniger stört; mit einem Prozess namens Quetschen, der bisher nur bei GEO600 routinemäßig eingesetzt wird. Jetzt haben die GEO600-Forscher*innen in ihrem Detektor besseres Quetschlicht als je zuvor hergestellt. Damit lässt sich das internationale Detektornetzwerk in den nächsten Beobachtungsläufen empfindlicher machen. Es ist außerdem ein wichtiger Schritt zu Detektoren der dritten Generation wie dem Einstein-Teleskop.

Ein wunderbarer neuer Rekord

Das Team vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) und der Leibniz Universität Hannover erreichte ein Quetschniveau von 5,7 dB und unterdrückte damit das Quantenhintergrundrauschen fast um den Faktor 2, was im Vergleich zu einem Detektor ohne Quetschlicht das beobachtbare Volumen des Universums um den Faktor 7 erhöht.

Messungen des Hintergrundrauschens von GEO600. Die Querachse zeigt die Frequenz, die Hochachse die Stärke des Rauschens bei diesen Frequenzen. Je niedriger die Kurven liegen, desto weniger Rauschen ist vorhanden und desto besser sind Gravitationswellen messbar. Die rote Kurve zeigt das Rauschen ohne Quetschlichtquelle, die blaue mit Quetschlichtquelle. Die Verbesserungen treten vor allem bei Frequenzen über einigen hundert Hertz auf, wo Gravitationswellen-Signale von Neutronensternen erwartet werden. Bild vergrößern
Messungen des Hintergrundrauschens von GEO600. Die Querachse zeigt die Frequenz, die Hochachse die Stärke des Rauschens bei diesen Frequenzen. Je niedriger die Kurven liegen, desto weniger Rauschen ist vorhanden und desto besser sind Gravitationswellen messbar. Die rote Kurve zeigt das Rauschen ohne Quetschlichtquelle, die blaue mit Quetschlichtquelle. Die Verbesserungen treten vor allem bei Frequenzen über einigen hundert Hertz auf, wo Gravitationswellen-Signale von Neutronensternen erwartet werden. [weniger]

Das Forschungsteam setzte neu entwickelte optische Komponenten ein und optimierte den optischen Aufbau der gequetschten Lichtquelle und deren Kopplung an den Detektor.

„Nachdem die aktuelle Phase der Upgrades abgeschlossen war, konnten wir mit der vollständigen Optimierung und Charakterisierung des Systems beginnen, was uns diesen wunderbaren neuen Rekord beim Quetschen brachte und unsere Empfindlichkeit bei Frequenzen erhöht, die für das Verständnis der Neutronensternphysik wichtig sind“, sagt Dr. James Lough, leitender Wissenschaftler bei GEO600.

Pionierarbeit bei GEO600

Die GEO600-Quetschlichtquelle (im Vordergrund) innerhalb des GEO600-Reinraumes zusammen mit den Vakuumtanks (im Hintergrund). Bild vergrößern
Die GEO600-Quetschlichtquelle (im Vordergrund) innerhalb des GEO600-Reinraumes zusammen mit den Vakuumtanks (im Hintergrund). [weniger]

„Das GEO600-Team hat bei der Anwendung von Quetschlicht in der internationalen Gravitationswellen-Community Pionierarbeit geleistet. Mehrere Generationen von GEO600-Doktorand*innen und Squeezing-Expert*innen am AEI haben diesen Durchbruch ermöglicht“, erklärt Dr. Christoph Affeldt, Betriebsleiter der GEO600.

Der deutsch-britische Gravitationswellendetektor GEO600 bei Hannover setzt seit 2010 routinemäßig eine Quetschlichtquelle ein und ist damit bislang weltweit einzigartig. Die für GEO600 maßgeschneiderte Lichtquelle wurde am AEI entwickelt und gebaut.

Gemeinsam mit den Kolleg*innen am AEI hat das GEO600-Team kontinuierlich die Integration der Quetschlichtquelle in den Detektor verbessert. Das ist aufgrund der besonderen Störanfälligkeit gequetschten Lichts entscheidend: Schon ein sehr geringer Verlust auf dem Weg in den Detektor begrenzt die mögliche Empfindlichkeitserhöhung. Daher können viele kleine Verbesserungen insgesamt zu einem großen Anstieg der GEO600-Empfindlichkeit führen.

Quetschlicht im nächsten Beobachtungslauf O3

Die Empfindlichkeit aller zukünftigen interferometrischen Gravitationswellen-Detektoren wird durch den Einsatz ähnlicher Quetschlichtquellen erhöht werden. Beim nächsten gemeinsamen Beobachtungslauf O3, der Anfang 2019 beginnen soll, werden auch die LIGO-Instrumente und der Virgo-Detektor mit gequetschtem Licht arbeiten. Die Quetschlichtquelle von Virgo ist eine neuere Version der für GEO600 entwickelten und eine Dauerleihgabe des AEI.

„Für zukünftige Detektoren der dritten Generation wie das europäische Einstein-Teleskop ist noch besseres Quetschlicht erforderlich. Mit diesem fantastischen neuen Rekord bei GEO600 sind wir nun bereit, diese Technologie zu perfektionieren und die nächsten Herausforderungen auf dem Weg zum Einstein-Teleskop anzugehen“, sagt Prof. Karsten Danzmann, Direktor am AEI und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover.

 
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