KAGRA – Der rauscharme Mephisto-Laser, der das hochmoderne Gravitationswellenteleskop unterstützt

Aufgabe

Das in Kamioka-cho, Hida, Präfektur Gifu, errichtete große Kryo-Gravitationswellenteleskop (KAGRA) ist die weltweit größte Gravitationswellenbeobachtungsanlage, die 2020 ihren Betrieb aufgenommen hat. Wie die LIGO-Detektoren in den USA und die Virgo-Detektoren in Italien ist auch KAGRA ein laserbasiertes Michelson-Interferometer. Wenn Gravitationswellen den Standort passieren, verändern sie die Länge der beiden Arme des Interferometers geringfügig. Doch selbst bei einer Armlänge von 3 km bei KAGRA kann es bei starken Gravitationswellen zu Längenänderungen von weniger als einem Tausendstel des Protonendurchmessers (10⁻¹⁹ Meter) kommen. Daher stellt das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Detektion dieser Wellen eine große Herausforderung dar.

Lösung

KAGRA ist das erste große Gravitationswellenteleskop, das unterirdisch installiert wurde und Erdbebenwellenrauschen sowie Rauschen durch Gravitationsgradienten reduziert. Um das thermische Rauschen zu unterdrücken, arbeitet es zudem als weltweit erstes Teleskop bei extrem niedrigen Temperaturen (20 Kelvin). Aus diesem Grund war der Einsatz von Saphir-Testmassen (Spiegeln) unumgänglich. Der Grund dafür ist, dass Saphir auch bei extrem niedrigen Temperaturen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweist und zudem eine hohe Durchlässigkeit für die Laserwellenlänge von 1.064 nm besitzt.

Laseroszillatoren zeichnen sich – aus denselben Gründen wie bei LIGO und Virgo – sowohl hinsichtlich des Amplitudenrauschens als auch des Frequenzrauschens durch eine in der Laserindustrie unübertroffene Rauscharmut ausCoherent Mephistoverwendet. Da er auf einem nicht-planaren Ringoszillator (NPRO) basiert, dessen gesamter Laserresonator aus einem Einkristall besteht, verfügt er von Haus aus über eine stabile Leistung, die durch speziell entwickelte Elektronik noch weiter verbessert werden kann. Durch die Verstärkung der rauscharmen 1.064-nm-Ausgangsleistung des Mephisto auf 60 Watt mittels eines Festkörperverstärkers werden Phasen- und Amplitudenrauschen weiter unterdrückt. Dadurch liegt der zirkulierende Ausgangspegel im Interferometerarm bei maximal 0,4 Megawatt.

KAGRA, das unter der Leitung der Technischen Universität Tokio betrieben wird, ist mit LIGO und Virgo vernetzt und liefert dadurch präzisere Daten und gezieltere Informationen.

Ergebnisse

Sobald KAGRA seine geplante Empfindlichkeit erreicht hat, wird erwartet, dass eine enorme Anzahl von Gravitationswellenereignissen aufgezeichnet werden kann. Ingenieure und Wissenschaftler suchen bereits nach Möglichkeiten, die erstaunliche Leistungsfähigkeit dieses Interferometers weiter zu verbessern. Ein Teil dieser Forschung wird in einem Labor der Tokyo Institute of Technology durchgeführt, das mit KAGRA zusammenarbeitet. Dort arbeitet die Gruppe um Associate Professor Kentaro Munemiya an der Reduzierung von Rauschen. Associate Professor Munemiya erklärt: „Da bei KAGRA das thermische Rauschen unterdrückt ist, werden in naher Zukunft das Quantenrauschen im Lasersystem – also die Unsicherheiten bei der Laseramplitude und -phase, die als Grenzen der Quantenphysik gelten – zum Hauptlimit für die Daten werden. Wir arbeiten derzeit an der Entwicklung neuer Methoden, um dieses Quantenrauschen zu unterdrücken. Ohne den Mephisto-Oszillator, dessen Hauptmerkmal die geringe Rauschneigung ist, wäre diese Forschung meiner Meinung nach nicht möglich gewesen“, erklärt er. Das nächste Ziel ist es, die hier gewonnenen Technologien auf KAGRA+ und andere Gravitationswellenteleskope der nächsten Generation anzuwenden. Associate Professor Munemiya strebt derzeit an, diese Spitzentechnologie zunächst in den 600-Meter-Gravitationswellendetektor GEO-HF in Deutschland zu integrieren und durch die Verbesserung der Empfindlichkeit im kHz-Bereich die Spuren der durch die Verschmelzung von Neutronensternen entstehenden Raum-Zeit-Wellen klar zu beobachten.

Weitere Erfolgsgeschichten anzeigen