Spektrum: Welche der möglichen Quellen von Gravitationswellen werden mit dem Laserinterferometer GEO600 am leichtesten nachweisbar sein?

Karsten Danzmann: Es wäre schön, wenn wir das jetzt schon wüssten – wenn Sie in einigen Jahren wieder fragen, kann ich Ihnen das genau sagen. Wir haben einige Ideen: Es gibt Standardquellen, an denen man sich orientiert und auf die hin man den Detektor zu optimieren versucht. Diese Quellen können wir berechnen – das heißt aber nicht, dass es auch diejenigen sind, die die Natur uns liefert. Es kann sogar sein, dass es noch viel schönere gibt; denn unser bisheriges Wissen über das Universum ist auf elektromagnetische Beobachtungen beschränkt. Andere Quellen, die bevorzugt Gravitationswellen aussenden, können wir gar nicht vorhersagen, weil sie sich im elektromagnetischen Spektrum nicht zeigen. Insofern hat jeder von uns seine Lieblingsquelle, von der er denkt, das werde die erste sein.

Spektrum: Was ist Ihre Lieblingsquelle?

Danzmann: Doppelsternsysteme aus zwei kleinen Schwarzen Löchern, die miteinander verschmelzen. Denkbar wäre aber auch eine monochromatische Quelle, etwa ein rotierender Neutronenstern wie der Crab-Pulsar. GEO600 ist so ausgelegt, dass wir ihn gerade noch in unserem Frequenzfenster haben. Der Crab-Pulsar verliert Energie; wenn dahinter die Abstrahlung von Gravitationswellen steckt, können wir das erwartete Signal berechnen. Es wäre mit GEO600 nachweisbar, wenn der gesamte Energieverlust darauf zurückzuführen ist.

Spektrum: Nun wurden Gravitationswellen beim Hulse-Taylor-Pulsar ja schon indirekt nachgewiesen: Die Abnahme seiner Bahnperiode stimmt innerhalb von 0,3 Prozent mit der Voraussage der Allgemeinen Relativitätstheorie für Gravitationswellen-Abstrahlung überein. Bestehen Chancen, sein Signal mit GEO nachzuweisen?

Danzmann: Nein. Erst wenn dieses Doppelsternsystem in etwa 300 Millionen Jahren verschmelzen wird, entsteht ganz am Ende der Fusion ein Signal, das in das Frequenzfenster von GEO fällt.

Spektrum: Wo liegt dieses Fenster?

Danzmann: Bei Frequenzen von etwa 50 Hertz bis zu einigen Kilohertz.

Spektrum: Wie weit haben Sie mögliche Störquellen unter Kontrolle?

Danzmann: Das ist ein ständiger Kampf. Wenn man eine Rauschquelle beseitigt hat, verbessert sich die Empfindlichkeit so weit, dass man der nächsten Rauschquelle aufsitzt und an der arbeitet – man braucht schon sehr viel Geduld. Das seismische Rauschen ist sehr gut verstanden und beherrschbar. Man weiß, wie man Anlagen zur Vibrationsisolation zu bauen hat, es ist nur eine Frage des Aufwandes, den man treiben will. Das so genannte Photonen-Schrotrauschen bei den höheren Frequenzen, das von Quantenfluktuationen des im Interferometer umlaufenden Laserlichts herrührt, verstehen wir auch relativ gut, und moderne Methoden der Quantenoptik sollten in fünf bis zehn Jahren noch einige Fortschritte bringen. Es scheint hier zumindest keine fundamentalen Grenzen zu geben. Das thermische Rauschen im mittleren Frequenzbereich ist dagegen noch ein Problem. Wir wissen nicht wirklich genau, welche Form es annehmen wird. Diesen Teil der Empfindlichkeitskurve zu ermitteln, macht die größte Mühe – allein deshalb schon, weil Kühlen so schwierig ist.

Spektrum: Wie kalt müsste die Apparatur denn werden?

Danzmann: Leider nimmt das thermische Rauschen nicht direkt proportional mit der Temperatur ab, sondern nur mit der Wurzel daraus. Man muss deshalb mindestens die Verflüssigungstemperatur von Helium erreichen, also etwa vier Kelvin. Das ist jedoch nicht so einfach. Normalerweise bringt man beim Kühlen einen Kontaktfinger oder ein Kühlgas an den zu kühlenden Gegenstand. Das geht hier aber nicht, weil die Spiegel völlig isoliert sein müssen. Man kann also nur über Strahlung kühlen, was durch die endliche Spiegelfläche jedoch begrenzt ist. Auf der anderen Seite gibt es auch eine Heizquelle: der für die interferometrische Messung der Abstandsänderung benutzte Laserstrahl selbst.

Spektrum: Sie wollen nicht nur das Rauschen unterdrücken, sondern umgekehrt auch das Signal durch ein "Signal-Recycling" überhöhen. Funktioniert das schon?

Danzmann: Das Prinzip haben wir an einem kleineren Interferometer bereits demonstriert. An GEO600 wird der Mechanismus erst im Sommer installiert.

Spektrum: Wann kann der wissenschaftliche Messbetrieb beginnen?

Danzmann: Vielleicht als Weihnachtsgeschenk 2002.

Spektrum: Werden dann auch die Detektoren LIGO in den USA und VIRGO in Italien schon mit GEO zusammenarbeiten?

Danzmann: LIGO hat den gleichen Zeitplan wie wir, wird also gleichzeitig mit der Datenaufnahme beginnen. VIRGO dürfte mit ein bis zwei Jahren Verzögerung hinterherkommen.

Spektrum: Wann könnte also frühestens ein Gravitationswellensignal koinzident – gleichzeitig von GEO und LIGO – nachgewiesen werden?

Danzmann: Heiligabend 2002.

Spektrum: Es gibt auch schon Pläne für neue Detektoren wie das europäische Projekt zweiter Generation EURO. Wann ist dort der Baubeginn geplant?

Danzmann: Vielleicht in zehn Jahren.

Spektrum: Wann wird mit der Konstruktion des Weltrauminterferometers LISA für den Nachweis niederfrequenter Gravitationswellen begonnen?

Danzmann: Relativ bald; genau genommen haben wir bereits angefangen. Nach Jahren der Planung und des Sandkastenspielens beginnt bei LISA jetzt echte Technologie- und Hardwareentwicklung. Derzeit laufen 17 Programme, die von der ESA finanziert werden. LISA selbst soll 2011 starten.

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Suche nach Gravitationswellen


Bisher hat die 1916 vollendete Allgemeine Relativitätstheorie, mit der Albert Einstein die Beschreibung der Gravitation auf eine neue Grundlage stellte, alle Tests mit großem Erfolg bestanden. Schon 1919 wurde bei zwei Sonnenfinsternis-Expeditionen die Vorhersage der Ablenkung des Lichtes von Sternen beim Vorbeigang an der Sonne grob bestätigt, nach 1969 dann sehr viel genauer durch radiointerferometrische Messungen an weit entfernten Quasaren. Die im Rahmen der newtonschen Gravitationstheorie nicht ganz erklärbare Drehung des Perihels (sonnennächsten Punktes) der Merkurbahn – es gibt dort eine Abweichung von 43,11 Bogensekunden pro Jahrhundert – lässt sich ebenfalls auf der Grundlage der Relativitätstheorie verstehen. Schließlich stimmt die Rotverschiebung von Spektrallinien in Gravitationsfeldern mit der Vorhersage überein – das zeigen Messungen von Emissionslinien im Sonnenspektrum und Experimente mit Atomuhren in Flugzeugen.

Dagegen ließ sich die Voraussage, dass Massen im astronomischen Maßstab Gravitationswellen aussenden können, wenn sie in starken Feldern beschleunigt werden, bisher nur indirekt durch Präzisionsmessungen an einem Doppelpulsar bestätigen. Russell Hulse und Joseph Taylor entdeckten diese periodische Radioquelle 1974 und untersuchten sie über mehrere Jahre hinweg. Dabei stellten sie fest, dass sich die Umlaufbahn in diesem Binärsystem verkleinert und die Umlaufperiode um 75,6 millionstel Sekunden im Jahr abnimmt – sehr wahrscheinlich durch die Abstrahlung von Gravitationswellen.

Der direkte Nachweis solcher Schwerkraftwellen – analog zum Empfang von Radiowellen – ist bisher aber noch nicht gelungen. Die größten Chancen dazu bietet die extrem genaue interferometrische Messung der Abstandsänderung zweier Testmassen unter dem Einfluss von Gravitationswellen. Ende letzten Jahres hat ein entsprechendes Gerät in Europa – GEO600 (mit 600 Metern Armlänge) in Ruthe bei Hannover – den Probemessbetrieb begonnen. Bald darauf wurde es zu einer gemeinsamen Messkampagne mit dem amerikanischen LIGO-System zusammengeschaltet. Dieses ist wesentlich größer und teurer (zwei Interferometer mit vier Kilometern Armlänge und ein halb so langes), hat aber nicht ganz so hoch entwickelte optische Komponenten wie GEO600. Das italienisch-französische Gerät VIRGO mit drei Kilometern Armlänge wird erst in etwa zwei Jahren betriebsbereit sein. Das folgende Gespräch mit Karsten Danzmann – dem Leiter von GEO600 – beschreibt die mittelfristigen Perspektiven dieser Forschungen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2002, Seite 24
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