Der kürzliche Nachweis von Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher hat den Enthusiasmus für die Entwicklung noch empfindlicher Messtechniken nochmals befeuert. Die Schwarzen Löcher hatten jeweils rund 30 Sonnenmassen, und ihre Gravitationswellen wurden mit dem bodenbasierten LIGO-Observatorium registriert. Bodengestützte Instrumente zum Nachweis von Gravitationswellen besitzen weit auseinanderliegende Sensoren, die submikroskopische Veränderungen ihrer Distanz registrieren können.
Sie leiden allerdings unter dem Rauschen, das von kleinen Störquellen am Boden produziert wird: Vibrationen von natürlichen oder künstlichen Quellen, die die präzise eingestellten Detektoren durchqueren. Die am schwersten auszugleichenden Vibrationen sind jene, die sich relativ langsam verändern, mit Frequenzen von etwa einem Hertz oder weniger. Trotzdem sagen Astronomen voraus, dass Quellen von Gravitationswellen, die solch langsame Veränderungen produzieren, interessant sein und häufig vorkommen sollten – von kompakten Doppelsternen bis hin zu gravitativen Ereignissen im frühen Universum.
Das Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) ist seit langem für seine Laborarbeit bekannt, die einige der besten Präzisionsinstrumente auf der Welt hervorbringt. Besonders erwähnenswert sind seine zeitmessenden Wasserstoff-Maser-Uhren, die von der NASA genutzt werden, um deren Satelliten zu verfolgen. Auch Radioastronomen weltweit nutzen sie, um mittels Langbasisinterferometrie Präzisionsmessungen von kosmischen Phänomenen zu machen.
Die CfA-Maser-Gruppe hat im Verlauf der letzten Jahre weiterhin moderne Zeitmessungstechnologien entwickelt und sie in neuen Hilfsmitteln eingesetzt, um den Himmel zu untersuchen. Dazu zählten kürzlich auch Instrumente für die ultrapräzise Messung von stellaren Geschwindigkeitsveränderungen, die von extrasolaren Planeten hervorgerufen werden.
Igor Pokovski, Nick Langellier und Ron Walsworth vom CfA haben mit zwei Kollegen ein neues Konzept für einen Gravitationswellendetektor veröffentlicht, der vor allem niederfrequente Gravitationswellen untersuchen kann. Ihre Technik misst nicht nur die Distanz zwischen den Sensoren präzise, sondern auch ihre minimalen Bewegungen via Doppler-Effekt, wenn eine Gravitationswelle auftritt. Das Instrument nutzt einen exakt gesteuerten Laser und präzise Atomuhren, die sich an Bord zweier Satelliten befinden. Im Gegensatz zu anderen weltraumbasierten Konzepten, die drei Satelliten erfordern, benötigt dieses System nur zwei. Die Technologie für diese Fähigkeit verlangt nur realistische Verbesserungen und bietet eine wichtige Erweiterung für aktuelle Gravitationswellendetektorsysteme.
Abhandlung: „Gravitational Wave Detection with Optical Lattice Atomic Clocks“ von S. Kolkowitz, I. Pikovski, N. Langellier, M. D. Lukin, R. L. Walsworth und J. Ye, PhysRev D, 94, 124043, 2016.
(THK)
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