LIGO erkennt nicht nur Gravitationswellen. Das macht sie auch

Quantentritte für die Spiegel von LIGO machen es zum weltweit effizientesten Sender für Gravitationsstrahlung.

Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab

LIGO erkennt nicht nur Gravitationswellen. Das macht sie auch

Von Adrian ChoFeb. 7, 2017, 9:00 Uhr

WASHINGTON, DC Das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) ist nicht nur der empfindlichste Detektor für Welligkeiten in der Raumzeit. Zufällig ist es auch der weltweit beste Produzent von Gravitationswellen, wie ein Team von Physikern jetzt berechnet. Obwohl diese Wellen viel zu schwach sind, um sie direkt zu detektieren, könnten die Forscher im Prinzip versuchen, seltsame quantenmechanische Effekte bei großen Objekten zu detektieren.

"Wenn wir LIGO für die Detektion optimieren, optimieren wir es auch für die Emission" von Gravitationswellen, sagt Belinda Pang, eine Physikerin am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, die die Analyse letzte Woche auf einem Treffen der Amerikaner vorstellte Physikalische Gesellschaft.

Gravitationswellen dehnen den Raum buchstäblich aus. 1915 erklärte Albert Einstein, dass die Schwerkraft entsteht, wenn massive Objekte wie die Erdverformungsraumzeit die ansonsten geraden Flugbahnen frei fallender Objekte biegen. Einstein sagte auch voraus, dass bestimmte wirbelnde Massenkonfigurationen Gravitationswellen ausstrahlen würden. Die 1000 Physiker, die mit LIGO arbeiten, haben zweimal solche Wellen entdeckt, die von zwei massiven schwarzen Löchern ausgehen, die sich spiralförmig ineinander drehen.

LIGO setzt in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) auf äußerst empfindliche Zwillingsdetektoren. Jeder Detektor besteht im Wesentlichen aus einem Paar gekreuzter, 4 Kilometer langer Lineale. Um die Ausdehnung des Weltraums zu erkennen, vergleichen die Forscher mit Laserlicht die Längen der beiden Lineale nahezu konstant. Zwischen 40-Kilogramm-Spiegeln an beiden Enden jedes Arms prallen Lichtwellen hin und her, und die Forscher vergleichen die Armlängen mithilfe einer optischen Technik namens Interferometrie, bei der die Lichtwellen der beiden Arme kombiniert werden, um zu sehen, wie sie sich verstärken oder aufheben gegenseitig. Gravitationswellen sind so schwach, dass Physiker die Längen der beiden Arme auf weniger als 1 / 10.000 der Breite eines einzelnen Protons vergleichen müssen, um eine zu erkennen.

Die Tatsache, dass LIGO so empfindlich auf die Dehnung der Raumzeit reagiert, impliziert jedoch, dass es auch außerordentlich effizient Welligkeiten erzeugt. Um dies zu beweisen, entwickelten Pang und ihre Kollegen ein quantenmechanisches Modell, wie sich die Dehnung des Raums auf Lichtwellen auswirkt, die in einem der Arme von LIGO hin und her prallen.

Um ihre Messungen so empfindlich wie möglich zu gestalten, müssen LIGO-Physiker sicherstellen, dass die Positionen der Spitzen und Täler in jeder Lichtwelle in der sogenannten Phase stabil und stabil bleiben. Die Quantenunsicherheit erfordert dann jedoch, dass die Größe der Welle, die als Amplitude bezeichnet wird, weniger sicher ist. Die unvermeidbaren Amplitudenschwankungen geben dann zufällige Impulse oder "Tritte" an die Spiegel ab, und die Bewegung der Spiegel erzeugt winzige Welligkeiten in der Raumzeit, sagt Pang. Natürlich erzeugt LIGO keine großen Gravitationswellen - Sie könnten wahrscheinlich selbst größere Wellen erzeugen, indem Sie Bowlingkugeln herumwirbeln -, aber dies mit optimaler Effizienz.

Das Ergebnis ist nicht überraschend, sagt Fan Zhang, Physiker an der Beijing Normal University. "Das Grundlegende an einem Detektor ist, dass er an Gravitationswellen gekoppelt ist", sagt er. "Wenn du eine Kupplung hast, geht es in beide Richtungen."

Obwohl die Wellen viel zu schwach sind, um sie direkt zu erfassen, könnten sie dennoch zur Untersuchung von Quanteneffekten zwischen makroskopischen Objekten verwendet werden, sagt Pang. Die Quantenmechanik sagt, dass sich ein verschwindend kleines Objekt wie ein Elektron buchstäblich an zwei Stellen auf einmal befinden kann. Viele Physiker vermuten, dass es möglich sein könnte, ein makroskopisches Objekt wie einen der LIGO-Spiegel in einen ähnlichen Zustand der Quantenbewegung zu versetzen.

Dieser heikle Zustand würde nicht lange anhalten, da Interaktionen mit der Außenwelt ihn "dekohärent" machen und ihn an den einen oder anderen Ort bringen würden. Man könne sich jedoch vorstellen, die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich ein solcher Zustand entkoppelt, um festzustellen, ob sie mit der von der Strahlung der Gravitationswellen erwarteten Geschwindigkeit übereinstimmt, sagt Pang. Einige Theoretiker haben vorgeschlagen, dass die Schwerkraft eine besondere Rolle bei der Zerstörung von Quantenzuständen unter makroskopischen Objekten spielt.

"Das ist eine interessante Idee, aber experimentell eine große Herausforderung", sagt Yiqui Ma, Physiker bei Caltech und einer von Pangs Mitarbeitern. Um diese Quanteneffekte der Gravitationsstrahlung zu sehen, müssten Forscher jede andere Dekohärenzquelle unterdrücken, sagt er. Pang erkennt den Punkt an. "Es ist unglaublich schwierig", sagt sie. "Aber wenn Sie es tun wollen, sagen wir, dass LIGO der beste Ort ist, um es zu tun."