LIVINGSTON, La. - Etwa anderthalb Meilen von einem Gebäude entfernt, das so groß ist, dass man es vom Weltraum aus sehen kann, verlangsamt sich jedes Auto auf der Straße zu einem Kriechen. Autofahrer wissen, dass sie das Tempolimit von 16 km / h sehr ernst nehmen müssen: Das liegt daran, dass das Gebäude einen massiven Detektor beherbergt, der im kleinsten Maßstab, der jemals versucht wurde, nach Himmelsschwingungen sucht. Es überrascht nicht, dass es empfindlich gegenüber allen irdischen Schwingungen ist, vom Rumpeln eines vorbeifahrenden Autos bis hin zu Naturkatastrophen auf der anderen Seite der Welt.
Daher müssen Wissenschaftler, die an einem der LIGO-Detektoren (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) arbeiten, außerordentliche Anstrengungen unternehmen, um alle potenziellen Geräuschquellen aufzuspüren und zu beseitigen. Dies verlangsamt den Verkehr um den Detektor und überwacht jedes winzige Zittern im Boden, sogar die Ausrüstung an einem vierfachen Pendelsystem aufhängen, das Vibrationen minimiert - alles in dem Bestreben, den "leisesten" Schwingungspunkt auf der Erde zu schaffen.
"Alles dreht sich um die Lärmjagd", sagte Janeen Romie, Leiterin der Detektor-Engineering-Gruppe am LIGO-Detektor in Louisiana.
Warum sind LIGO-Physiker so besessen davon, Lärm zu eliminieren und den vibrationsfreiesten Ort auf dem Planeten zu schaffen? Um das zu verstehen, müssen Sie wissen, was Gravitationswellen sind und wie LIGO sie überhaupt erkennt. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie sind Raum und Zeit Teil desselben Kontinuums, das Einstein Raum-Zeit nannte. Und in der Raumzeit können schnell beschleunigende massive Objekte Gravitationswellen erzeugen, die wie Wellen aussehen, die nach außen strahlen, wenn ein Kieselstein auf die Oberfläche eines Teichs fällt. Diese Wellen zeigen die Dehnung und Kontraktion des Gewebes des Kosmos selbst.
Wie messen Sie Änderungen in der Raumzeit selbst, wenn ein Messgerät dieselben Änderungen erfahren würde? Die geniale Lösung ist das sogenannte Interferometer. Es beruht auf der Tatsache, dass Gravitationswellen die Raumzeit entlang einer Richtung strecken, während sie sich entlang der senkrechten Richtung zusammenziehen. Stellen Sie sich eine Boje auf dem Wasser vor: Wenn eine Welle vorbeizieht, bewegt sie sich auf und ab. Im Falle einer Gravitationswelle, die über die Erde strahlt, schwingt alles ganz leicht hin und her, anstatt auf und ab.
Der Detektor von LIGO besteht aus einer Laserlichtquelle, einem Strahlteiler, mehreren Spiegeln und einem Lichtdetektor. Das Licht verlässt den Laser, wird von einem Strahlteiler in zwei senkrechte Strahlen aufgeteilt und wandert dann über gleiche Entfernungen entlang der Arme des Interferometers zu zwei Spiegeln, wo das Licht wieder über die Arme reflektiert wird. Beide Strahlen treffen dann auf den Detektor, der sich gegenüber einem der reflektierenden Spiegel befindet. Wenn eine Gravitationswelle das Interferometer passiert, wird einer der Arme etwas länger und der andere etwas kürzer, da sie den Raum entlang einer Richtung ausdehnt und ihn entlang einer anderen komprimiert. Diese unendlich kleine Änderung registriert sich im Lichtmuster, das auf das Licht trifft Detektor. Die Empfindlichkeit von LIGO entspricht laut der LIGO-Website für die Zusammenarbeit der Messung der Entfernung zum nächsten Stern (etwa 4,2 Lichtjahre) mit einer Genauigkeit, die kleiner als die Breite eines menschlichen Haares ist.
Um diese Haarbreitenwelle erkennen zu können, unternehmen die Wissenschaftler extreme Anstrengungen, um mögliche Störungen dieses fein abgestimmten Aufbaus zu beseitigen, sagte Carl Blair, Postdoktorand bei LIGO, der sich mit Optomechanik oder der Wechselwirkung von Licht mit mechanischen Systemen befasst.
Zu Beginn befinden sich die 4 Kilometer langen Arme in einem der perfektesten Staubsauger der Welt, was bedeutet, dass sie nahezu molekülfrei sind, sodass nichts den Strahlengang stören kann. Die Detektoren sind auch von allen Arten von Geräten umgeben (Seismometer, Magnetometer, Mikrofone und Gammastrahlendetektoren, um nur einige zu nennen), die Störungen in den Daten messen und entfernen.
Alles, was als Gravitationswellensignal stören oder falsch interpretiert werden könnte, muss ebenfalls aufgespürt und beseitigt werden, sagte Blair. Dazu gehören Unvollkommenheiten im Detektor selbst - so genanntes Rauschen - oder nicht astrophysikalische Störungen, die vom Instrument erfasst werden - sogenannte Störungen. Physiker müssen sogar die Schwingungen der Atome, aus denen der Spiegel des Detektors besteht, und die zufälligen Schwankungen des Stroms in der Elektronik berücksichtigen. In größerem Maßstab können Störungen alles sein, vom vorbeifahrenden Güterzug bis zum durstigen Raben.
Und Pannen können sehr schwierig zu nageln sein. Als Arnaud Pele zum Detektor-Engineering-Team von LIGO stieß, musste er herausfinden, woher eine besonders lästige Störung kam: Die Instrumente, die die Bewegung des Bodens um die Gravitationswellendetektoren maßen, registrierten eine konstante Spitze, und niemand wusste warum. Nach mehreren Monaten hartnäckiger Ermittlungen fand er den Schuldigen: einen bescheidenen Stein, der sich zwischen dem Boden und einigen mechanischen Federn unter einem Belüftungssystem befand. Aufgrund des Felsens konnten die Federn nicht verhindern, dass die Vibration des Beatmungsgeräts im Detektor auftauchte und das mysteriöse Signal verursachte. "Es ist ein wirklich lustiger Teil meiner Arbeit, dieses Detektiv-Zeug zu machen", sagte Pele. "Meistens sind es einfache Lösungen." Auf der Suche nach unendlich kleinen Schwingungen aus der Ferne des Universums kann die eigentliche Arbeit sehr bodenständig sein.
Am wichtigsten ist vielleicht, dass es drei Detektoren gibt: Neben dem in Louisiana gibt es einen in Hanford, Washington, und einen dritten in Italien: "Wenn etwas echt ist, muss es in allen Detektoren gleich aussehen", sagte das Mitglied der LIGO-Zusammenarbeit Salvatore Vitale, Assistenzprofessor für Physik am MIT. Wenn es sich um einen Güterzug oder einen Stein handelt, der unter einer Quelle steckt, wird er nur in einem der drei Detektoren angezeigt.
Mit all diesen Werkzeugen und einigen sehr ausgeklügelten Algorithmen können Wissenschaftler die Wahrscheinlichkeit quantifizieren, dass ein Signal tatsächlich eine Gravitationswelle ist. Sie können sogar die Fehlalarmrate für eine bestimmte Erkennung oder die Möglichkeit berechnen, dass das genaue Signal versehentlich auftritt. Eines der Ereignisse von Anfang dieses Sommers hatte beispielsweise eine Fehlalarmrate von weniger als einmal in 200.000 Jahren, was es zu einem äußerst überzeugenden Kandidaten machte. Aber wir müssen warten, bis das endgültige Urteil gefällt ist.
Die Berichterstattung für diesen Artikel wurde teilweise durch einen Zuschuss der National Science Foundation unterstützt.
