Gravitationswellen-Interferometer

Gravitationswellen entstehen, wenn Objekte mit einer großen Masse wie Neutronensterne oder schwarze Löcher beschleunigt werden und eng umeinander kreisen. Sie breiten sich als Wellen mit Lichtgeschwindigkeit aus und verursachen extrem geringe Verzerrungen der Raumzeit. Seit Einsteins Relativitätstheorie sind viele Wissenschaftler davon überzeugt, dass es ein Verfahren für den Nachweis von Gravitationswellen geben muss. Die ersten Überlegungen stammen aus den 1960er Jahren. Diese Konzepte basierten auf einem Interferometer, das die Wechselwirkung von Gravitationswellen auf Laserlicht erfassen soll. Die Herausforderungen, die ein solches Instrument mit sich bringt, waren damals nur schwer zu fassen. Die Stärke von Gravitationswellen ist: h = ΔL / L. Bei einem 4 km langen Interferometer auf der Erde entspricht ΔL 10-18 Meter. Um diese Verschiebung zu erkennen, ist ein extrem präzises Meßinstrument erforderlich.
Die ersten beiden derartigen Detektoren wurden in den USA gebaut – je einer im Bundesstaat Washington und in Louisiana. Sie tragen die Bezeichnung LIGO (Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium). Zahlreiche Universitäten und Institute aus der ganzen Welt sind daran beteiligt.

Wie funktioniert es?
Die Detektoren arbeiten mit einem interferometrischen Verfahren nach Michelson. Im Inneren des Geräts läuft ein Laserstrahl, der durch einen Strahlteiler geteilt wurde, auf zwei möglichst langen Wegen durch ein optisches Spiegelsystem. Die Laserstrahlen werden dann im Detektor wieder zusammengeführt. Auf diese Weise können kleinste Differenzen der Laserstrahl-Laufzeiten gemessen werden, die durch Gravitationswellen hervorgerufen werden.
Für die Vakuumtechnologie sind folgende Aspekte hervorzuheben:

  • Die in den Vakuumkammern installierten Spiegel reagieren empfindlich auf jede Art von Verunreinigung.
  • Das UHV in den Strahlrohren ist erforderlich, um das lichtstreuende Phasenrauschen von Restgas zu minimieren.
  • Die gesamte Konstruktion einschließlich der Vakuumpumpen muss extrem vibrationsarm sein

Scheme of the LIGO interferometer for the detection of gravitational waves
Schematischer Aufbau des LIGO-Interferometers für den Nachweis von Gravitationswellen

Vakuumanforderungen
Das LIGO besteht genau genommen aus zwei Vakuumsystemen: Strahlführung und End-/Eckstationen.
Die Strahlführungsrohre haben ein Volumen von V = 20 Millionen Liter (pro Standort). Die Innenfläche dieser Rohre beträgt 600 Millionen cm² (pro Standort). Dieses Vakuumsystem ist evakuiert und wird nicht wieder belüftet. Ein Vakuum unter 10-7 Pa (10-9 mbar) ist erforderlich, um eine Vorwärtsstreuung von Restgasmolekülen zu vermeiden, die Phasenrauschen im Interferometer verursachen würden.
In den Kammern der End- und Eckstation, wo sich die Spiegel und Detektoren befinden, ist extreme Sauberkeit von entscheidender Bedeutung. Die Absorptionsrate des Spiegels sollte weniger als 0,1 ppm betragen. Die Verunreinigung der Optik muss weniger als eine Monolage Kohlenwasserstoffe in 10 Jahren betragen. Im Gegensatz zu den Strahlrohren könnten die Eck- und Endstationen belüftet werden. Das Vakuum in den Kammern sollte ebenfalls unter 10-7 Pa (10-9 mbar) liegen.

Produktportfolio
LIGOs gehören zu den größten vakuumtechnischen Konstruktionen der Welt. Im Gegensatz zu Teilchenbeschleunigern und Fusionsreaktoren gibt es hier keine radioaktive Umgebung, keine hohen Temperaturen und es werden keine Ionen erzeugt. Pfeiffer Vacuum hat die Vakuumapparaturen für viele Versuche an den LIGO-Observatorien geliefert. HiPace-Turbopumpen evakuieren die Kammern gemeinsam mit trockenen Vorpumpen. Zahlreiche Massenspektrometer zur Restgasanalyse und Lecksucher von Pfeiffer Vacuum werden in verschiedenen Teilen des LIGO-Aufbaus eingesetzt.

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