Umwelteinflüsse

 

Um die geringen Auswirkungen einer durchlaufenden Gravitationswelle zu messen, werden Gravitationswellendetektoren mit völlig neu entwickelten Technologien ausgestattet. Dabei dürfen wir aber nicht vergessen, dass allein die geologische Umgebung mindestens genauso wichtig für einen erfolgreichen Nachweis ist. Auch wenn wir die besten Spiegel und Laser bauen, können wir dem Rauschen der Umgebung nicht entkommen, wie z.B. den kleinen Vibrationen der Erdoberfläche, dem Seismischen Rauschen, oder geringen Temperaturschwankungen. Diese können wir nur dadurch reduzieren, dass wir für den Detektor vor seinem Bau einen möglichst ruhigen und isolierten Ort auswählen. Sind die Eigenschaften der Umgebung genau bekannt, kann man die Effekte des ungewünschten Rauschens außerdem mit Hilfe von Methoden der Datenverarbeitung in der Auswertung berücksichtigen.

GEO 600 detector
Gelände des Detektors GEO 600. Bildquelle: Albert Einstein Institut Hannover

Seismisches Rauschen stammt von Bewegungen der Erde, welche entweder unterhalb oder an der Oberfläche entstehen können. Solche Bewegungen werden zum einen durch die Natur selbst, z.B. eine Brandung oder entfernte Erdbeben, und zum anderen durch den Menschen, z.B. große Maschinen, verursacht. Auch diese Vibrationen des Untergrundes kann ein Gravitationswellendetektor "spüren".

Die komplizierten Spiegelaufhängungen haben die Aufgabe, die Spiegel so effizient wie möglich von diesen externen Bewegungen zu isolieren. Dennoch verbleibt immer ein kleiner Beitrag des Rauschens. Deshalb müssen die Interferometer dort aufgebaut werden, wo die seismische Aktivität sehr gering und gut verstanden ist.

Eine weitere und unverzichtbare Methode der Isolation der optischen Systeme vom Umgebungsrauschen ist es, die Spiegel und Laserstrahlen in ein Vakuumsystem zu stecken. Unter einem Vakuum versteht man einen leeren Raum, in dem sich rein garnichts befindet, nicht einmal Luft. Schallschwingungen können sich nur in einem Medium ausbreiten, wie z.B. Luft oder einem Felsen, was wiederum bedeutet, dass weniger Luft in den Interferometerarmen weniger Rauscheinflüsse auf den Laserstrahl nach sich zieht. Ein weiterer Vorteil des Vakuums ist, dass weniger Luftmoleküle den Weg des Laserstrahls durchkreuzen, wodurch dieser weniger gestreut wird und im Endeffekt weniger Licht verloren geht.

LIGO vacuum system
Teile des Vakuumsystems von LIGO. Bildquelle: LIGO Laboratory

Um ein entsprechendes Vakuumsystem aufzubauen, braucht man große metallische Behälter und Röhren sowie spezielle Pumpen, welche die Luft aus dem System herausziehen. Das Vakuumsystem muss mechanisch höchst stabil sein, damit es durch den äußeren Luftdruck nicht zerdrückt wird.

Im Hinblick auf die Reduzierung des Umgebungsrauschens erweist es sich als sehr vorteilhaft, einen Detektor unter der Erde, z.B. in einer alten Mine, zu installieren. Unterirdische Systeme bieten im Allgemeinen eine gute Langzeitstabilität und weisen deutlich weniger Störungen durch die Außenwelt auf, je nachdem, in welcher Tiefe man sich befindet. Dies verspricht eine enorme Verbesserung der Detektorempfindlichkeit, lässt jedoch die Kosten mit zunehmender Tiefe sehr stark ansteigen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Standort für einen realen Gravitationswellendetektor sehr sorgfältig ausgewählt werden muss, wobei hier höchst stabile, rauscharme und berechenbare Umgebungen vorzuziehen sind.