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Die Suche nach Gravitationswellen
Seminararbeit SS 2002 RWTH Aachen von Achmed Touni
Betreuer : Prof. A. Böhm
Inhalt
• Theorie und Eigenschaften der Gravitationswellen
• Erzeugung und Quellen der Gravitationswellen
• Nachweis von Gravitationswellen
1.) Indirekter Nachweis
2.) Direkter Nachweis
• Zusammenfassung
Theorie der Gravitationswellen
Die Kräfte die wir heute kennen lassen sich auf vier fundamentale Wechselwirkungen
zurückführen, die im folgenden aufgeführt sind .
•Elektromagnetische Wechselwirkung:
Ladung: Elektrische Ladung Austauschteilchen: Photon (masselos)
•Starke Wechselwirkung:
Ladung: Farbladung Austauschteilchen : Gluon
•Schwache Wechselwirkung:
Ladung: Schwache Ladung Austauschteilchen : W-/Z- Boson
•Gravitation:
Ladung: Masse und Energie Austauschteilchen : Graviton? (masselos?)
(noch nicht beobachtet)

Für das Verstehen der Gravitationswellen ist aber nur die letzte Wechselwirkung die
Gravitation relevant, die jedoch am wenigsten erforscht ist, da das Austauschteilchen
das Graviton bis jetzt noch nicht nachgewiesen wurde !!! Die Theorie der Gravitationswellen
wird durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, hierbei beschreibt der Ricci-
Tensor R µν das Gravitationsfeld als „gekrümmte Metrik“ der Raumzeit.
αβ ( Tαβ g )
8π
G ⎛ ⎞
Rµν =− ⎜T g
4 µν −
⎟ µν
c ⎜ 2 ⎟
⎝ ⎠
R : Ricci-Tensor ( Krümmung)
µν
T : Energie-Impuls-Tensor
µν
g : Metrik-Tensor
Da der Metriktensor g µν die Bewegung eines Körpers bestimmt und das Gravitationspotential
den Metriktensor bestimmt, bestimmt g µν den Riccitensor R µν . D.h. letztendlich enthält die
Feldgleichung nur g µν und T µν . Durch Linearisierung und Umformung auf die
Wellengleichung erhält man die linearisierte Feldgleichung :
h = g − η

Da wir hier ,wie schon erwähnt von einer Linearisierten Theorie ausgehen betrachten wir in
diesem Falle nur ebene Gravitationswellen, diese entstehen durch zeitliche Veränderung eines
Quadrupolmomentes, wodurch transversale Gravitationswellen entstehen, was wiederum
bedeutet, dass Gravitationswellen Polarisiert sind. Natürlich kann man sich jetzt fragen,
warum es nur Gravitations - Quadrupolstrahlung gibt? Nun um eine Monopolstrahlung zu
erzeugen, müsste es eine zeitliche Änderung des Monopolmomentes geben, was Bedeuten
würde, das große Masse aus unserem Raum verschwinden müssten, da dies bis jetzt noch
nicht beobachtet wurde, können wir diese Strahlung getrost ausschließen.
Die nächste höhere Ordnung wäre dann die Dipolstrahlung , für eine oszillierende
ρ rt , = ρ r exp − iωt+ cist
das Dipolmoment
Massenverteilung ( ) ( ) ( )
∫
( )
3
p = d rrρr = M
R
gleich der Masse M mal der Schwerpunktskoordinate R der Verteilung. Als IS kann man
das Schwerpunktsystem mit R = 0 wählen ; denn das abgeschlossene System bewegt sich
gleichförmig (falls das System nicht abgeschlossen ist, gibt es weitere oszillierende Massen
die für die Abstrahlung zu berücksichtigen sind). Im Schwerpunktsystem gibt es dann wegen
p = 0 keine Strahlung. In der Elektrodynamik kann das Dipolmoment p im allgemeinen nicht
durch die Wahl des Bezugssystems zum Verschwinden gebracht werden. Dies liegt daran, das
ρ positiv oder negativ sein kann. Speziell für zwei Punktladungen
e
+q und –q ist p = qr12
wobei r 12 der Verbindungsvektor ist. Dieses Dipolmoment ist
unabhängig vom gewählten Inertialsystem. In unserem Fall müssten wir also negative
Materie haben um eine Dipolmoment zu erzeugen das somit nicht mehr verschwinden kann,
diese Materieform ist aber bislang auch noch nicht nachgewiesen wurden. Also bleibt nur
noch die Quadrupolstrahlung übrig die wie schon erwähnt durch ein zeitlich veränderliches
Quadrupolmoment entsteht!
Eigenschaften der Gravitationswellen
Die linearisierte Theorie sagt nun zwei Typen
von Polarisationen der Gravitationswellen voraus,
diese sind in der nebenstehenden Grafik mit
a und b angegeben und wie man sieht sich diese
nur durch eine Drehung um 45° unterscheiden.
Die anderen Abbildungen in dieser Grafik
zeigen Polarisationstypen von Gravitationswellen,
welche durch andere Gravitationstheorien
vorhergesagt werden, auf diese werden wir hier
allerdings nicht näher eingehen. Die nebenstehende
Grafik zeigt also durch die Pfeilrichtung,
die Ausbreitungsrichtung der Gravitationswellen
die in den oberen zwei Typen von Polarisation
in z-Richtung verlaufen und eine Reihe von kleineren
Testmassen die Kreisförmig angeordnet sind
beeinflussen, auf diese Eigenschaft der
Gravitationswelle gehen wir nun im folgenden ein.

Da die Gravitationswellen wie schon erwähnt
transversaler Natur sind, bedeutet das daß die
Gravitatoskräfte senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
wirken. In der nebenstehenden rechtenGrafik
wird das durch eine senkrecht verlaufende
Gravitationswelle verdeutlicht, die durch ein
frei schwebendes sich leicht deformierendes
Gummirohr in z-Richtung ausbreitet.
Da wir nun wissen in welcher Richtung die Kräfte wirken können wir mit geeigneten
Messinstrumente (worauf noch später eingegangen wird ) folgende Eigenschaften bestimmen.
Diese sind :
• Die Frequenz,
• die Polarisation,
• und die Amplitude h der Gravitationswelle.
Die Amplitude ist das eigentliche was man misst, und wird durch die relative
dL
Längenänderung der Raumzeit bestimmt h = .
L
Die Amplitude der Gravitationswelle ist aber aufgrund des geringen Betrages der
8π
G −43
Kopplungskonstante in der Feldgleichung = 10 4
c
1
s −
auch bei sehr großen Energiedichten
enorm schwach! D.h. nur Wellen die von extrem große Massen abgestrahlt werden, können
nachgewiesen werden. Ein 500t schwerer Balken der eine Länge von L=20m hat und mit
einer Winkelgeschwindigkeit von ω = 30 rotiert, würde nur eine Gravitationsstrahlung von
−29
P=
2.4× 10 W
abstrahlen, dies ist weit unterhalb der heutigen Nachweisgrenze. Somit
müssen wir nach Astrophysikalischen Quellen Ausschau halten, die eine wesentlich größere
Masse haben.

Erzeugung und Quellen der Gravitationswellen
Die Astrophysikalischen Quellen
die hier in der nebenstehenden Grafik
abgebildet sind, zeigen mögliche
Quellen von Gravitationswellen. Deren
abgeschätzte Frequenz und deren
Amplitudenstärke. D.h. die relative
Längenänderung der Raumzeit die
für die jeweilige Quelle erwartet wird.
Von besonderen Interesse sind natürlich extreme Gebilde wie Neutronen-Doppelsternsysteme,
die bei einer Verschmelzung einen typischen Signaltyp abstrahlen, der eine Zuname in der
Frequenz und der abgestrahlten Leistung zeigen. Dies wird ebenfalls für ein Gebilde aus zwei
schwarzen Löchern erwartet, diese Astrophysikalische Quelle ist in der obenstehenden Grafik
leider nicht berücksichtigt worden. Die Rate der Verschmelzung die bei diesen extremen
Quellen zu erwarten ist, ist allerdings äußerst gering, es wird auf 1000 Jahre pro Galaxie für
Neutronen-Doppelsternsysteme geschätzt für Gebilde aus zwei schwarzen Löchern ist die
Rate noch geringer, aber da die abgestrahlte Leistung sehr hoch ist, erhofft man sich auch von
weit entfernten Galaxien diesen Signaltyp zu empfangen. Neutronen-Doppelsternsysteme
sind zudem die ersten Quellen von Gravitationsstrahlung gewesen die man anhand solcher
Systeme indirekt nachgewiesen hatte, dies wird aber nun im folgenden erläutert werden.

Nachweis von Gravitationswellen
Der erste indirekte Nachweis von Gravitationswellen gelang 1974 durch Russel Hulse und
Joseph Taylor (Nobelpreis 1993), sie untersuchten Pulsare mittels Radioteleskope darunter
auch PSR 1913+16 einen Neutronen-Doppelsternsystem, durch genaue Messungen der
Ankunftszeiten der Pulsarsignale wurde die Umlaufperiode exakt bestimmt. Allerdings fiel
dabei auf, das die Signale im verlauf einiger Jahre eine Phasenverschiebung erlitten, wie man
aus der Grafik sehen kann, das wiederum bedeutete eine Abnahme der Umlaufperiode.
Die Schlussfolgerung war letzendlich, das sich der Abstand zwischen den Neutronensternen
verkleinerte. Das System verlor also Energie und Drehimpuls die in Form von
Gravitationswellen abgestrahlt wurden. Die theoretische Überprüfung mittels Allgemeiner
Relativitätstheorie ergab eine Übereinstimmung bis auf 1% , dies war dann auch der erste und
bis heute einzige (Indirekter) Nachweis von Gravitationswellen.
Um sich ein Bild zu machen in
welchem Abstand sich die
Neutronensterne umkreisen und
wie lange dieses System braucht
um auf etwa den Durchmesser
unserer Sonne zu schrumpfen
zeigt die Abbildung rechts.

Der direkte Nachweis von Gravitationswellen mittels Detektoren wird derzeit durch zwei
völlig verschiedene Wege in Angriff genommen, die sich durch die jeweilige Detektorart
unterscheiden. Im nun folgenden werden diese Detektoren vorgestellt.
Resonanzdetektor
Der Resonanz-Gravitationswellendetektor war die erster Art von Detektor um
Gravitationswellen nachzuweisen. Dieser Detektor beruht auf dem Prinzip der
Massenresonanz , dazu betrachte man nochmals die Abbildung rechts.
Der Raum wird durch eine Gravitationswelle gestaucht und gedehnt,
justiert man nun exakt an einer der Koordinatenachsen einen länglichen
metallnen Zylinder:
So wird dieser, wenn einen Gravitationswelle auf den Mantel des
Zylinders trifft, zu longitudinalen Schwingungen angeregt.
D.h. der Aluminiumzylinder bildet ein resonantes System.
Die Resonanzfrequenz der longitudinalen Grundschwingung beträgt
für so ein resonantes System
vs
ν 0 =
2l
ν 0 ist hierbei die Resonanzfrequenz , vs die Schallgeschwindigkeit im
jeweiligen Material und l die Länge des Zylinders. Das bedeutet also,
die Gravitationswelle den Zylinder nur dann zur longitudinalen
Schwingung anregt wenn deren Frequenz im Bereich der
Resonanzfrequenz des Zylinders liegt.
Der Erster Detektor dieser Art wurde von
Joseph Weber (Anfang 1960er) gebaut.
1960 schlug er diese Form von Detektoren zum
Nachweis von Gravitationswellen vor und bis
1966 hatte Joseph Weber den ersten konstruiert.
Dieser Bestand aus einem großen vibrationsisolierten
1.5t Aluminiumzylinder in einer Vakuumkammer
mit piezoelektrischen Kristallen,
die an der Oberfläche nahe des Zentrums befestigt
waren (Resonanz bei 1600 Hz).

1969 berichtete Joseph Weber in den „Physical Review Letters“ das er mit seinen zwei
Detektoren die er in Maryland und Chicago aufgestellt hatte, simultan Signale aus dem
Zentrum der Galaxie empfangen. Leider konnten seine Beobachtungen von keiner anderen
Gruppe die ebenfalls Resonanzdetektoren konstruiert hatten bestätigt werden. Der negative
Ausgang der Experimente hat somit aber Grenzen für die Raten und Stärken von
−17
Gravitationswellen im kHz-Bereich ergeben. Offenbar sind Amplituden größer als 10 nicht
oder äußerst selten zu erwarten. Zudem hatte das Experiment eine positive Auswirkung auf
die Entwicklung von Detektoren in diesem Bereich die sich in den folgenden Punkten
wiederfinden:
•Start der Entwicklung und stetigen Verbesserungen von Gravitationswellendetektoren ...
•Optimierung der vibrationsfreien Lagerung
•Kühlung auf wenige Kelvin
•(Vermeidung von thermischen Schwingungen)
•Optimales Material ???
•Steigerung der Empfindlichkeit der Messinstrumente .
Als Beispiel heutiger Massenresonanz-Detektoren sei hier das NIOBE-Experiment in Perth
(Australien) genannt:
Was man hier auf dem rechten Bild sieht,
ist eine Innenansicht des Tankes wo der
Niobzylinder frei aufgehängt ist, die
Massenscheiben die hier untereinander
angeordnet sind, dienen hier der
Verringerung von äußeren Schwingungen
Die wie man am unteren Skizze erkennen
kann nur durch die Aufhängung mit den
äußeren Behälter verbunden ist. Insgesamt
sind es drei in sich geschlossene Behälter
(siehe Bild unten ),
der äußere Behälter enthält flüssigen
Stickstoff der den zweiten inneren
Behälter unterstützt durch thermische
Absorber Schichten bis auf 30K
herunter kühlt. der zweite innere
Behälter enthält flüssiges Helium
Das ebenfalls unterstützt durch
thermische Absorber Schichten den
dritten Behälter mit dem Niobzylinder
bis auf 4K herunterkühlt.

Das Herzstück des Detektors ist allerdings
das transducer System, das hier rechts abgebildet
ist. Das ganze funktioniert nach einem
einfachen Prinzip, der Niobzylinder gibt hierbei
seine Eigenschwingungen die durch eine
Gravitationswelle ausgelöst wurden an einen
kleineren Massekörper ab, der die gleiche
Resonanzfrequenz hat wie der Niobzylinder.
Da der kleinere Massekörper eine geringere
Masse hat, ist somit seine Amplitude sehr viel
größer, das dadurch viel deutlichere Signal
wird durch Sensoren registriert und nochmals
verstärkt. Somit bekommt man am ende ein
eindeutiges Signal raus.Durch dieses System konnte man die
−19
1
Empfindlichkeit auf 5× 1 0 steigern.
Hz
Zur Zeit laufen insgesamt 5 Projekte die auf dem Weberprinzip Gravitationswellen
Nachweisen sollen:
Allerdings muss man dazu sagen , das diese Art von Detektor eine menge Nachteile hat, wie
z.B. eine geringe Frequenzbandbreite (~ 50Hz), ist sehr Richtungssensitiv , muss aufgrund
des thermischen Rauschens des Zylinders bis auf wenige Kelvin heruntergekühlt werden.
−19
Die mit Weber-Detektoren heute erreichbare Nachweisgrenze liegt bei 10 . Obwohl die
Technologie bereits ziemlich ausgereizt scheint, ist ein Nachweis von Gravitationswellen
mittels Weber-Detektoren prinzipiell keineswegs ausgeschlossen. Es gibt sogar Bestrebungen
diese Art von Derektor noch mehr zu verbessern.

Geplant sind z.B. bei Niob die Steigerung der Empfindlichkeit und der Frequenzbandbreite
wie man es in der unteren Grafik sieht .
Die A-Kurve in dieser Grafik zeigt die derzeitige Empfindlichkeit und Frequenzbandbreite
des NIOBE Detektors. Die Empfindlichkeit und die Frequenzbandbreite lässt sich alleine
mithilfe von neuartiger Kühltechnik auf eine Frequenzbandbreite und Empfindlichkeit
erhöhen wie es die B-Kurve zeigt. Die C-Kurve zeigt nun wie sich die Empfindlichkeit und
die Frequenzbandbreite alleine dadurch erhöht, das im transducer System die Masse des
Sekundärresonanzkörpers verringert wird. Bei der D-Kurve wird der Sekundärresonanzkörper
durch einen Saphirkristall ersetzt und die E-Kurve zeigt die Empfindlichkeit und
Frequenzbandbreite wenn es gelingt durch Fortschrittliche Kühltechnik den Niobzylinder auf
15mK abzukühlen.
Aber es wird nicht nur an den derzeitigen Systemen die Einzelnen Komponenten verbessert,
sondern auch im Aufbau, wird sich Zukünftig einiges ändern, den man geht zu Sphärischen
Resonanzsystemen über wie das TIGA Projekt.
Diese haben durch die Sphärische Form den Vorteil, dass hier die Richtungssensitivität
gegeben ist, d.h. die Zylinderform musste exakt in eine der sich dehnenden Achsen
ausgerichtet sein, dies ist hier nun nicht mehr zu berücksichtigen . Ein weiter Vorteil
Ist durch die vielfach Schwingungsmoden gegeben, diese erhöhen die Frequenzbandbreite.

Laserinterferometer
Der Laserinterferometer beruht auf dem Prinzip des
Michelson-Interferometer (siehe rechtes Bild), dabei
sind die beiden Arme entlang der x und der y –Achse
orientiert d.h. sie schließen einen 90° Winkel zueinander
ein. Die äußeren Spiegel sind auf Testmassen montiert,
die möglichst frei beweglich und von anderen
Einwirkungen isoliert sind. Eine in z-Richtung einfallende
Gravitationswelle wird dann eine entgegengesetzte
Längenänderungen in den Armen der Länge L
hervorrufen;
⎛ 1 ⎞
Lx= ⎜1+ αcosωt⎟L ⎝ 2 ⎠
⎛ 1 ⎞
Ly= ⎜1− αcosωt⎟L ⎝ 2 ⎠
diese Längenänderungen führen dann zu einer
Phasenverschiebung der beiden im Detektor interferierenden Teilstrahlen. Falls die Laufzeit
des Lichts im Interferometer klein gegen die PeriodeT der Gravitationswelle ist, ist die
zeitabhängige Phasenverschiebung durch
4π 4πLα
δ = ( Lx − Ly)
= cosω
t
λ λ
gegeben. Diese führt dann letztlich zu einer messbaren Intensitätsschwankung
1
I = I0 2
am Detektor.
+ δ
( 1 cos )
Gelingt es also die Änderung der so entstehenden Interferenzstreifen
zu messen, so kann man nach diesem Prinzip eine vorhandene
Gravitationswelle nachweisen. Im rechten Bild ist so ein Ereignis
dargestellt. Das ersten Bild zeigt das Interferometer in einer
ungestörten Raumzeitmetrik, läuft nun eine Gravitationswelle
In Z-Richtung durch das Interferometer so werden die Spiegeln
die an den Testmassen montiert sind ausgelenkt (2 Bild ), dadurch
kommt es zu je nach Auslenkung zuerst zu einer destruktiven und
dann zu einer konstruktiven Interferenz (3 Bild ) oder umgekehrt.

Für den Empfang einer Gravitationswelle bestimmter
Frequenz gibt es eine optimale Länge der
Interferometerarme. Da man aber aufgrund der Kosten
Und des Aufwandes die Armlänge gering halten will,
wird die Weglänge des Lasers in den
Interferometerarmen durch mehrfach Reflexionen
vergrößert. Um dies zu erreichen hat man einmal
einen vollreflektierenden Spiegel mit einem Loch,
wodurch der Laser danach auf den Endspiegel trifft,
dort wird er wieder zurückreflektiert, das ganze kann
einige tausend mal hin und her reflektiert werden bevor
der Laserstrahl wieder das Loch trifft und letztendlich
zum Photodetektor gelangt (obere Zeichnung ), ein
andere Möglichkeit ist die, dass der Laser einen
halbdurchlässigen Spiegel durchläuft, dann auf den
vollreflektierenden Endspiegel trifft und von dort wieder
zum halbdurchlässigen Spiegel zurückreflektiert wird,
ein Teil des Laserstrahls wird dabei wieder reflektiert
so das ein Teil des Lasers ebenfalls einige hundert mal
die Strecke durchläuft ( untere Skizze).
Die ersten Prototypen von Laserinterferometern im10m-Bereich wurden gegen Mitte der
80er Jahre realisiert. Als Beispiel sei hier das 40m-Interferometer des California Institute of
16
Technology genannt, mit dem man 1987 bereits eine Empfindlichkeit von 3 1 0 für 1 kHz
erreichte. Dies war nur um einen Faktor 300 schlechter als die Empfindlichkeit der damals
besten Weber-Detektoren. So versprachen die Interferometer ein vielversprechender Weg zu
sein, da sie im Gegensatz zu den Weber-Detektoren erst am Anfang ihrer Entwicklung
standen. Die Vorteile der Interferometer gegenüber den Weber-Detektoren sind zum einen
−
×
ein breites Frequenzspektrum von Gravitationswellen abzudecken (während Weber-
Detektoren nur in ihrem spezifischen Resonanzbereich arbeiten) und zweitens die Zeitliche
Auflösung der Signale (Allerdings sind Interferometer aufgrund der Größe der notwendigen
Anlagen und der aufwendigen interferometrischen Techniken dann auch erheblich teurer als
Weber-Detektoren).

Der Gravitationswellen-Detektor am California
Institute of Technology (Caltech) (rechtes
Bild ) war Prototyp für größere Observatorien.
Der Laserinterferometer war in zwei evakuierten
senkrecht zueinander angeordneten 40m Röhren
untergebracht. Der Laser im Vordergrund wurde
durch Spiegel und optische Lichtwellenleiter in die
Vakuumkammer geleitet. An jedem Röhrenende
befand sich ein Spiegel, der an einer frei beweglich
aufgehängten Masse befestigt war und den Laser
10000mal hin und her reflektierte.
Das Interferenzmuster wurde dann registriert.
Mit diesem Prototyp waren wie schon erwähnt
16
Längenänderungen von 3 10 nachweisbar.
−
×
Dies entspricht einem drittel eines
Protonsdurchmessers.
Die derzeit wichtigsten laufenden Projekte zum Nachweis von Gravitationswellen mittels
Laserinterferometer sind kurz in dieser unten stehenden Tabelle aufgeführt :
Im nun folgenden wird nun auf die einzelnen Projekte die in der obigen Tabelle angegeben
sind eingegangen um gegebenenfalls die Technischen Eigenheiten sowie deren Lösungen zu
technischen Problemen wie die Schwingungsdämpfung etwas zu beleuchten. Beginnend mit
Geo 600.

Geo 600
Das GEO 600 ist ein deutsch-britisches Projekt. In Ruthe bei Hannover entstand ein das
Interferometer mit 600m Armlänge. Im Oktober 2001 wurde der erste Testlauf absolviert und
inzwischen hat es den ständigen Messbetrieb aufgenommen. Für die Empfindlichkeit wird ein
−20 −21
Wert zwischen 10 und 10 erwartet. Als Ausgleich für die im Vergleich geringe
Armlänge werden hier besonders fortschrittliche interferometrische Techniken verwendet, die
später auch in den größeren Interferometern zum Einsatz kommen sollen.
Besonders Interessant sind die extreme Schwingungsdämpfungstechniken die hier zum
Wie auch in den anderen Interferometern zum Einsatz kommen . Es gilt, alle Störungen zu
beseitigen die als lautes Rauschen die schwachen Signale übertönen würden. Störquellen sind
Bodenerschütterungen aller Art. Sie können z.B. durch die Vibrationen der verwendeten
Vakuumpumpen hervorgerufen werden, durch die Meeresdünung oder durch Fahrzeuge, die
sich an der Anlage vorbei bewegen. Die Bodenunruhe sorgt als Hauptstörquelle für
Ausschläge, die um viele Zehnerpotenzen über den zu messenden Signalen liegen . Um dies
nun zu vermeiden hat man sehr effiziente Vibrationsisolatoren entwickelt, die verhindern,
dass sich die Schwingungen Aus der Umgebung auf die im Tank aufgehängten Komponenten
übertragen. Die Schwingungsdämpfung von Geo 600 erfolgt in mehren Stufen, die aktive und
passive Elemente enthalten. Im aktiven Teil messen Geophone die Schwingungen und
gegensteuernde Piezoaktuatoren kompensieren sie weitgehend. Der passive Teil besteht
Aus Lagen von Metall und Gummi, Blattfedern und mehrstufigen Vertikalpendeln.
Diese Maßnahmen filtern sehr wirkungsvoll alle Frequenzen heraus, die größer als
40 Hertz sind. Man erreicht insgesamt eine Dämpfung der Störschwingung um das

Hundertmillionenfache. Eine andere Quelle von Störungen stellen die natürlichen
Schwankungen der Luftdichte dar. Alle optischen Aufbauten müssen daher in großen
Vakuumtanks untergebracht werden; die Messtechnik verläuft in evakuierten Röhren.
Das Vakuum das durch spezielle Reinigungstechniken und das Ausheizen das Rohres und der
einzelnen Komponenten erreicht wird, hat fast Weltraumqualität .
Rechts sieht man ein Schema des Innenaufbaus
eines Vakuumtanks von Geo600. Im
Querschnitt sieht man links nur einen der
drei versetzten Schwingungsdämpfer.
Der Endspiegel wird durch eine dreistufige
Pendelaufhängung von seismischen
Störungen isoliert.
Unten sieht man die Quarzspiegel die an
Sehr dünnen Quarzfäden aufgehängt sind
und den Laser in den Interferometerarmen
reflektieren. Auch wird schon an eine
Verbesserung gearbeitet die darin besteht
Quarzspiegel aus reinem Saphir zu verwenden.
Das hat den Vorteil das Saphir erstens schwerer
ist und somit unempfindlicher gegen den
Strahldruck des Laserlichtes und zweitens
leitet Saphir die Wärme des Lasers besser ab
als Quarz, so das letztendlich stärkere
Laser eingesetzt werden können. Der Laser
Ist übrigens ein Infrarot-Laser der durch
Power-Recycling von 10W auf 10KW
Verstärkt wird.
Die scharf gebündelten Strahlen
werden dann durch luftleere
Edelstahlröhren mit 60 Zentimeter
Durchmesser geschickt . (links)

VIRGO
VIRGO ist eine italienisch-französische Kooperation. Es besteht aus einem 3km-
−22
Interferometer in der Nähe von Pisa und soll eine Empfindlichkeit von 10 erreichen.
Aufgrund besonders guter seismischer Isolation wird es möglich sein, noch in einem Bereich
von 10Hz Messungen vorzunehmen. Was natürlich bei allen zu erwähnen ist, ist das alle
Detektoren auf sandigen oder kiesigen Untergründen aufgebaut wurden, weil diese besonders
gut seismische Erschütterungen Absorbieren.

LIGO
LIGO ist ein amerikanisches
Programm, das aus zwei
4km-Interferometern in
Hanford, Washington, und
Livingston, Louisiana, besteht
. Erste Testläufe wurden
bereits durchgeführt. Nach
Optimieren der Empfindlichkeit
22
auf bis zu 3 1 0 sollen ab
−
×
2003 die ersten Daten gesammelt
werden. Für 2006 ist die
Installation verbesserter
interferometrischer Techniken
geplant, die dann auf eine
−24
Empfindlichkeit von 10
führen sollen.
Ebenfalls wie bei Geo600
wurden auch hier passive
und aktive Dämpfungstechniken
verwendet. Zur
Richtungsstabilisierung der
Spiegel, dient hier ein Hilfslaser,
dessen reflektierter Strahl auf einen
positionsempfindlichen Detektor
fällt. Dessen Signal steuert ein
elektromagnetisches Stellelement,
das eine kleine, in der Nähe des
Aufhängepunktes angebrachte
Masse kippt und dreht. Diese kleine
Masse wirkt wie die Hand eines
Puppenspielers: Sie korrigiert
jede für die Messungen schädliche
Abweichung des jeweiligen Spiegels
Von der Sollrichtung.

Hier sieht man einen Schematischen Aufbau von einem der zwei Interferometern, die Röhren
verfügen über einen Durchmesser von 1.20m. Diese Größe gestattet die Installation von vier
Interferometern, wobei jedes mit getrennt aufgehängten Testmassen versehen ist. Da wie
schon erwähnt die Länge der Arme für die jeweilige Frequenz der Gravitationswelle
bestimmend sind, sind die kleineren Interferometern für kurzwellige Gravitationswellen und
die großen für langwellige Gravitationswellen vorgesehen, somit deckt es ein großes
Spektrum ab. Zudem reagieren die Interferometer mit halber Armlänge auf die meisten
Rauschquellen genauso empfindlich wie diejenigen mit voller Armlänge, jedoch auf
Gravitationswellen-Signale mit niedriger Frequenz nur halb so stark, gleiches gilt für die
Großen nur umgekehrt. Dadurch hat man durch solche unterschiedlich dimensionierten
Instrumente einen weiteren Vorteil, indem man dadurch leichter zwischen den erwarteten
Signalen und den gleichzeitig vorhandenen Störsignalen unterscheiden kann.

TAMA300
TAMA300 ist ein japanisches Projekt,
das als Technologiestudie für einen
3 km-Detektor dienen sollte.
Es besteht aus einem Interferometer mit
300 m Armlänge das dem Mitaka campus
of NAO im Untergrund aufgebaut wurde,
über 1000 h Daten wurden schon bereits gesammelt.
Die höchste bisher erreichte Empfindlichkeit
21
betrug 5 10 . Besonders erwähnenswert ist
−
×
hierbei die offizielle Webseite von diesem
Japanischen Projekt : http://tamago.mtk.nao.ac.jp
die im Gegensatz zu den anderen Gruppen
sehr freizügig mit ihren gewonnen Daten und den
Informationen über Tama 300 umgehen.
Zudem wird die Seite regelmäßig geupdatet
So das immer die neuesten Informationen hier
bereitgestellt werden.
Unten ist z.B. der komplette Aufbau des Interferometers
dargestellt und zeigt somit einmal die Komplexität
Eines solchen Interferometers.

Rechts ist nochmal der mittlere
Teil des Interferometers dargestellt,
man sieht z.B. hier
die blauen Kästen wo ein Teil
des Lasers ausgekoppelt wird.
Die abkürzungen bedeuten:
MC: Mode Cleaner,
RM: Recycling Mirror,
BS:Beam splitter,
NM:Near Mirror.
Im oberen Aufbau ist der Beam
Splitter (Strahlteiler) im mittlern
(grünen Kasten) ebenfalls durch BS
gekennzeichnet.
Wie schon erwähnt wurden bei
Tama 300 Messungen
durchgeführt , die zeigen
wie hoch die momentane
Empfindlichkeit des
Detektors ist. Am 04.09.2000
hatte das Japanische Team
es geschafft die Empfindlichkeit
−18
von Anfangs etwa 10 (1999)
21
auf 5 1 0 zu steigern .
−
×

LISA
LISA ist ein satellitengestütztes Interferometer,
das in Zusammenarbeit zwischen NASA und
ESA entstehen soll. Drei Satelliten werden
ein gleichseitiges Dreieck mit einer Kantenlänge
6
von 5× 10 km aufspannen. Die Positionen der
Satelliten sollen mit einer Genauigkeit von
10 pm bestimmt werden, was auf eine
19
Empfindlichkeit von 5 10 führt. Es wird
−
×
vor allem zur Messung niederfrequenter
Gravitationswellen nützlich sein.
Der Start der Satelliten ist für 2009 vorgesehen.
Die drei Satelliten sollen so positioniert werden,
so das der Mittelpunkt des Dreiecks das diese
Satelliten aufspannen 20° hinter der Erde
liegt. Dies ist nämlich ein tot punkt, kleinere
Körper die an diesem Punkt gebracht werden
laufen mit konstanter Geschwindigkeit
hinter der Erde her, so als würde keine
Kraft auf sie wirken. Die 60° Neigung soll
ermöglichen , das auch senkrecht auf unser
Sonnsystem einfallende Gravitationswellen
Registriert werden können .
Hier noch mal die komplette Bahn die
das LISA in der Umlaufbahn der Erde
beschreibt .

Das nun oben angegebene Diagramm zeigt nun welches Frequenzband und die relative
Längenänderung d.h. die Amplitude die beiden größten Detektoren registrieren können, so
erwarten Astrophysiker Gravitationswellen mit tiefen Frequenzen von Doppelsternsysteme in
der Galaxis und großen Schwarzen Löcher, diese extrem langwelligen Gravitationswellen
können jedoch erst durch den Lisa Detektor nachgewiesen werden. Die Erdgebunden
Detektoren beschränken sich erster Linie nur auf die höheren Frequenzen wie z.B. hier der
Ligo Detektor, der das Frequenzband von 10Hz bis 10kHz abdeckt, alle anderen Detektoren
die zwar in diesem Diagramm nicht aufgeführt sind, liegen ebenfalls in diesem Bereich des
Frequenzbandes, wo sich Astrophysiker Gravitationswellen von kollabierenden Sternen,
Verschmelzungen von Neutronen-Doppelsternsysteme und Schwarzen Löchern mit hohen
Frequenzen erhoffen.

Zusammenfassung
Durch diese neuartigen Detektoren , hat man eine neue Astronomische
Beobachtungsmethode gefunden, wodurch man Objekte die man bisher nur indirekt
Beobachten konnte, nun mittels der Gravitationswellen direkt untersuchen kann. Dadurch
erhofft man sich Aufschluss von großen Massenreichen Objekten bis hin zur Urknall Ära zu
gewinnen. Als erstes steht natürlich der direkte Nachweis der Gravitationswellen an die dazu
gemachten Fortschritte in den Detektoren sind groß und man kann hoffen, das bald Aussagen
−20
in dem Bereich 10 zur Verfügung stehen.
Literatur
• Hubert Goenner ; Einführung in die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie
Spektrum Akademischer Verlag 1996
• Torsten Fließbach ; Allgemeine Relativitätstheorie Spektrum Akademischer Verlag
1994
• Gravitation Urkraft des Kosmos ; Sterne und Weltraum 2001
• Jagd auf Gravitationswellen ; Spektrum der Wissenschaften 12/2000
http://www.geo600.uni-hannover.de
http://www.ligo.caltech.edu
http://lisa.jpl.nasa.gov
http://sci.esa.int/home/lisa
http://tamago.mtk.nao.ac.jp
http://www.virgo.infn.it
http://www.gravity.pd.uwa.edu.au
http://sam.phys.lsu.edu/tiga/machining.html