Aufhängungen

 

Durchläuft eine Gravitationswelle einen Detektor, dann führt dies zu einer winzigen Bewegung der Spiegel von z.B. gerade einmal 10-20m. Leider können ganz andere Dinge wie die Meeresbrandung an einer nahen Küste oder vorbeifahrende Autos Spiegelbewegungen von etwa 10-9m verursachen, was riesig ist, im Vergleich zu dem was wir messen wollen.

Um überhaupt eine Chance zu haben, Gravitationswellen zu messen, müssen die Spiegel so installiert werden, dass ungewünschte Bewegungen ausreichend gedämpft werden. Die Erdoberfläche ist im Prinzip in ständiger Bewegung, verursacht durch verschiedene Quellen in der Umwelt, die zu Bewegungen bei verschiedenen Frequenzen führen. Menschliche Aktivitäten wie z.B. Autos und Züge erzeugen Vibrationen, welche potenziell durch die Erdoberfläche propagieren können. Diese Bodenbewegungen werden im Allgemeinen "Seismisches Rauschen" genannt. Bewegt sich dadurch der Untergrund, dann tut dies folglich auch der Detektor, was Rauschen im Ausgangssignal erzeugt. Um diesen Effekt abzuschwächen, werden die Spiegel in realen Detektoren in mechanischen Aufhängungssystemen platziert. Man kann sich das im Prinzip wie das Federungssystem eines Autos vorstellen, welches die Insassen von Stößen und Vibrationen der Reifen abkoppelt.

Eine sehr effiziente Isolation der Spiegel vom Seismischen Rauschen kann durch den Einsatz ausgeklügelter Kombinationen von Pendeln erreicht werden. Die Stärke der Pendelbewegungen erreicht dabei ihr Maximun immer bei einer Frequenz, welche als Resonanzfrequenz bezeichnet wird. Wenn ein Pendel allerdings bei einer höheren als seiner Resonanzfrequenz angeregt wird, dann wird seine Auslenkung sehr schnell kleiner und verschwindet. Aus diesem Grund wird ein als Pendel aufgehängter Spiegel ruhiger sein als der ihn umgebende Untergrund (bei hohen Frequenzen). Durch den Einsatz weiterer Pendelstufen kann diese Dämpfung noch weiter verbessert werden. Die Pendelsysteme müssen dabei wie bereits angedeutet so konzipiert werden, dass ihre Resonanzfrequenzen ausreichend unterhalb der Schwingungen der Umgebung liegen, im Besonderen natürlich auch unterhalb der Gravitationswellenfrequenzen.

GEO 600 Spiegelaufhängung

Spiegelaufhängung bei GEO 600. Bildquelle: Albert Einstein Institut Hannover

Langsame Schwingungen, wie z.B. eine Ozeanbrandung können allerdings immer noch störend sein. Dem kann man entgegen wirken, indem man die Pendel schlicht länger macht, was die Resonanzfrequenz weiter herabsenkt.

Übermäßig komplizierte Aufhängungen mit vielen Pendelstufen und/oder sehr langen Pendeln sind jedoch sehr schwer zu kontrollieren und kosten sehr viel Geld. Aus diesem Grund muss man für reale Aufhängungssysteme in den Gravitationswellendetektoren eine sinnvolle und vernünftige Abstimmung von Länge, Anzahl an Pendelstufen und Komplexität finden.

Unsere Processing-Animation Pendulum erlaubt es ihnen, online mit einem Pendel zu spielen und zu verstehen, wie man damit seismisches Rauschen unterdrücken kann: