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Gravitationswellendetektoren

Laserphysik und -technikAstronomie und AstrophysikRelativitätstheorie und Gravitation, Messgeräte zum Nachweis von Gravitationswellen. Bis heute konnte die Existenz von Gravitationswellen wegen der zu erwartenden extrem kleinen Amplitude nicht direkt bestätigt werden. Die direkte Messung von Gravitationswellen durch Detektoren auf der Erde ist jedoch von grossem Interesse, da sich dadurch neben der Spektroskopie an elektromagnetischer Strahlung ein ganz neues Fenster der Astronomie öffnen würde. Das Prinzip von Gravitationswellendetektoren beruht darauf, dass benachbarte Testmassen durch eine einfallende Gravitationswelle eine Relativbeschleunigung erfahren. Aus diesem Grundprinzip können im wesentlichen zwei unterschiedlichen Typen von Detektoren konstruiert werden. Resonanzdetektoren wurden ab 1956 an der Universität Maryland von J. Weber entwickelt, der dafür massive, 1000-2000 kg schwere Aluminium-Zylinder mit einer mechanischen Resonanzfrequenz von rund 1000 Hz verwendete. Beim Einfall einer Gravitationswelle mit Frequenzanteilen in der Nähe der Resonanz wird der Detektor zu Schwingungen angeregt, die piezoelektrisch registriert werden. Die minimale Strahlungsintensität, auf die ein solcher Detektor anspricht, beträgt

.

Daher besitzt ein möglichst empfindlicher Resonanzdetektor neben einer grossen Masse m eine hohe mechanische Güte Q und arbeitet bei niedriger Temperatur T. Der Faktor A ist eine Gerätekonstante. In den Jahren 1968-1973 berichtete Weber davon, mit einer Rate von einigen Ereignissen pro Tag erste Signale gemessen zu haben. Diese wurden aber von anderen Gruppen, die daraufhin eigene Resonanzdetektoren bauten und in Betrieb nahmen, nicht bestätigt. Heute befinden sich eine Reihe von Resonanzdetektoren u.a. in Genf, Moskau, Peking, Stanford und Tokyo in Betrieb. Während Weber bei Raumtemperatur eine maximale Empfindlichkeit von h = 10-16 erreichte, werden Resonanzdetektoren heute bei tiefsten Temperaturen betrieben. So erreicht z.B. das am CERN in Genf betriebene Gerät bei T = 3 mK eine Empfindlichkeit von h = 10-18-10-19 für Stosswellen. Ein schwerwiegender Nachteil von Resonanzdetektoren liegt darin, dass ihre Empfindlichkeit ausserhalb eines sehr engen Frequenzbereichs um die Resonanzfrequenz schnell gegen null geht. Laser-Interferometerdetektoren werden nach dem Prinzip des Michelson-Interferometers konstruiert. Trifft eine Gravitationswelle so auf das Interferometer, dass die beiden Arme unterschiedlich verformt werden, so ändert sich das Interferenzmuster. Die maximale Empfindlichkeit  hängt von der Messdauer t, der Armlänge L des Interferometers und der Masse m der Interferometerspiegel ab. Für die typischen Werte t = 1 ms, L = 3 km und m = 100 kg resultiert die theoretische Messgrenze h = 10-23. Seit einigen Jahren befindet sich eine Reihe von Laser-Interferometerdetektoren in Bau (Tabelle). Erste Ergebnisse werden frühestens im Jahr 2000 erwartet. Laser-Interferometerdetektoren arbeiten in einem breiten Frequenzband. Erdgebundene Detektoren wie GEO 600, LIGO oder VIRGO sollen den Bereich w = 1-1000 Hz abdecken. Bei niedrigeren Frequenzen fällt die Empfindlichkeit solcher Detektoren durch das praktisch nicht mehr abschirmbare Vibrationsrauschen proportional zu w-4. Daher kommt für den vielversprechenden Frequenzbereich 10-4-1 Hz nur ein im Weltraum stationiertes Laser-Interferometer in Frage (LISA, MIGO). Das Weltraumexperiment MIGO (Michelson Millimeter Wave Interferometer Gravitational-Wave Observatory) soll aus drei Satelliten in geostationären Umlaufbahnen bestehen, die ein Michelson-Interferometer mit ca. 60 000 km Armlänge im Weltraum bilden. Die Satelliten von LISA sollen ein gleichseitiges Dreieck mit einer Armlänge von 5 Mio. km bilden. [PVDH, RAP, TB]

Gravitationswellendetektoren: Derzeit im Bau bzw. in der Planung befindliche Projekte.

Projekt

Länder

Armlänge

Frequenz [Hz]

Standort

LISA

international

5 × 106 km

10-4-1

Weltraum

MIGO

international

60 000 km

10-3-10-1

Weltraum

LIGO (2 Anlagen)

USA

je 2 ´ 4 km

1-1000

Hanford/Livingston

VIRGO

Fr/I

2 ´ 3 km

1-1000

Pisa

GEO600

GB/D

2 ´ 600 m

1-1000

Hannover

TAMA300

JPN

2 ´ 300 m

1-1000

Mitaka

 

 

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