PuK - Prozesstechnik & Komponenten 2024

Vakuumtechnik
Vakuum-Anlagensystem
Auf den Spuren des Urknalls
Vakuum-Anlagensystem für die Technologieentwicklung in der
Gravitationswellendetektion
Prof. Dr. Oliver Gerberding, Jens Grundmann, Dr. René Wutzler, Dr. Artem Basalaev
Wie entstand unser Universum? Woraus
besteht unser Universum? Und
welche Ereignisse traten während
des Entstehungsprozesses auf? Diese
und weitere Fragen beschäftigen
Astronomen und Physiker heute auf
der ganzen Welt. Um diese Fragen
beantworten zu können, benötigen
wir Informationen über die dunklen
Objekte in unserem Universum und
über die Zeit nahe dem Urknall, vor
rund 13,8 Milliarden Jahren. Aber
wie kommt man an Informationen
über Objekte, die man nicht sehen
und somit nicht mit elektromagnetischer
Strahlung beobachten kann?
Wie soll man nahe am Urknall, in einer
Zeit, in der das Universum undurchsichtig
war, Objekte und Ereignisse
beobachten können? Ein
Informationsträger solch „alter“ Informationen
sind die so genannten
Gravitationswellen.
Bereits 1915 beschrieb Albert
Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie
[1] den Einfluss von
Masse auf Raum und Zeit, kurz die
Raumzeit. Massen krümmen die
Raumzeit, was wiederum die Bewegung
von Massen beeinflusst, wodurch
das Phänomen der Gravitation,
also die der Schwerkraft, beschrieben
wird. Die Ausbreitung von Raumzeitstörungen,
erzeugt durch beschleunigte
Massen, bezeichnet man heute
als Gravitationswellen und sie erzeugen
winzige Abstandsänderungen in
großer Entfernung von ihrer Quelle.
Einstein entwickelte zwar die Theorie
der Existenz dieser Gravitationswellen
bereits 1915, vermutete aber
zu dieser Zeit, dass wir davon auf
der Erde nichts mitbekommen werden.
2015 gelang es Wissenschaftlern
dann, genau diese Gravitationswellen
zu detektieren [2]. Mit Hilfe des LIGO
(Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium)
in den USA
konnte die Kollision zweier Schwarzer
Löcher detektiert werden, welche beide
ein Vielfaches der Masse unserer
Sonne aufwiesen. Diese Kollision ereignete
sich in einem Abstand von 1,3
Milliarden Lichtjahren von der Erde,
womit ein kosmisches Ereignis beobachtet
werden konnte, welches bereits
vor 1,3 Milliarden Jahren stattfand.
Seitdem konnten mehr als 100
solcher Ereignisse aufgezeichnet werden
[3].
Was kann man sich unter Gravitationswellen
vorstellen? Als einfachen
Vergleich kann man einen
großen, stillen See nutzen, in welchen
ein Stein geworfen wird. An dem Ort,
an dem der Stein die Wasseroberfläche
durchstößt, entstehen Wellen.
Diese Wellen verlieren mit der Entfernung
vom Einschlagort langsam
ihre Stärke, so dass am Ufer des Sees
die Wellen kaum noch spürbar sind.
Überträgt man diese Beobachtung
auf den Weltraum, so wäre der See
unser Universum und der Stein würde
eine Störung der Raumzeit durch
eine beschleunigte Masse, z. B. ein
sich bewegender Stern oder ein kollabierendes
Schwarzes Loch, symbolisieren.
Die Auswirkung im Sinne
der Gravitationswellen würden wir
an unserer Messposition, der Erde
als Analogie zum Ufer des Sees, fast
nicht bemerken. Denn zusätzlich zum
Abstand zu den Ereignissen ist die
Raumzeit sehr steif und lässt sich viel
weniger in Schwingung versetzen als
Wasser. Somit können nur extreme
Ereignisse, wie die Verschmelzung
Schwarzer Löcher, überhaupt messbare
Gravitationswellen erzeugen.
Die durch Gravitationswellen hervorgerufenen
Abstandsänderungen
sind extrem klein. So verändert eine
Gravitationswelle, welche durch die
Verschmelzung von Schwarzen Löchern
innerhalb der Milchstraße erzeugt
wird, den Abstand zwischen
Sonne und Erde lediglich um den
Durchmesser eines Wasserstoffatoms.
Zusätzlich bleibt diese Abstandsänderung
für viele derzeit
beob achtete Objekte nur für Tausendstel
einer Sekunde bestehen.
Aus diesen winzigen Messgrößen ergeben
sich auch besondere Anforderungen
an die zu verwendende Messtechnik.
Die zentrale Eigenschaft der Speziellen
Relativitätstheorie, in der die
Lichtgeschwindigkeit für jeden Beobachter
konstant ist, wurde mit
einem Michelson-Interferometer von
Michelson und Morley nachgewiesen.
Das Prinzip, das dieser Messapparatur
zugrunde liegt, ist die Laser-Interferometrie
[4]. Eben solche Laser-
Interferometer werden auch für die
Detektion von Gravitationswellen
verwendet, da sie winzige Abstandänderungen
extrem gut vermessen
können. Die besondere Herausforderung
bei dieser Methode liegt in der
L-förmigen Anordnung und möglichst
langen, optischen Laufstrecken (so
genannten Armen) von infrarotem
Laserlicht. Lange Arme vergrößern
den Effekt der Gravitationswelle so,
dass die Abstandsänderungen noch
nachgewiesen werden können. Das
Laserlicht wird mittels halbdurchlässiger
Spiegel in besagte Arme eingeleitet
und an deren Ende durch weitere
Spiegel reflektiert, um an ihren
Ursprungsort zurückgeleitet zu werden.
Dort findet nun eine Überlagerung
der Lichtwellen (Interferenz)
statt. Interferierende, also sich überlagernde
Wellen können sich verstärken,
wenn bei gleicher Wellenlänge
„Wellenberg auf Wellenberg“ trifft
(konstruktive Interferenz). Oder es
kommt beim Zusammentreffen von
„Wellenberg und Wellental“ zur Auslöschung
(destruktive Interferenz). Im
Experiment wird das System so eingestellt,
dass kein Licht am Ausgang
42 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2024