Das neue Gravitationswellenteleskop KAGRA stützt sich auf rauscharme Mephisto

Herausforderung

Das große Kryo-Gravitationswellenteleskop (KAGRA) in Kamioka, Japan, ist das neueste Gravitationswellenobservatorium und wurde 2020 in Betrieb genommen. Wie LIGO und Virgo basiert auch KAGRAauf einem laserbasierten Michelson-Interferometer. Wenn Gravitationswellen diesen Standort passieren, verursachen sie winzige Längenänderungen an den beiden Interferometerarmen. Die KAGRA-Arme sind 3 Kilometer lang, und eine starke Gravitationswelle kann eine Längenänderung von weniger als einem Tausendstel des Durchmessers eines Protons verursachen, also ^10⁻¹⁹ Meter. Daher stellt das Signal-Rausch-Verhältnis eine enorme Herausforderung für die Detektion dieser Gravitationswellen dar.

Lösung

KAGRA ist das erste unterirdisch gelegene Großgravitationswellenteleskop; diese Bauweise mindert die Störeinflüsse durch Bodenvibrationen und Schwerkraftgradienten. Es ist zudem das erste Gerät, das bei niedrigen Temperaturen (20 K) betrieben wird, um thermisches Rauschen zu unterdrücken. Dies macht den Einsatz von Saphir für die Spiegel unumgänglich, da Saphir bei diesen niedrigen Temperaturen eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweistund für die Laserwellenlänge von 1064 nm hochtransparent ist.

MephistoCoherent wird als Laseroszillator eingesetzt, und zwar aus denselben Gründen, aus denen dieser Laser auch bei LIGO und Virgo zum Einsatz kommt: Er gilt in der Laserindustrie als der bislang rauschärmste Laser, sowohl hinsichtlich der Amplitude als auch der Frequenz. Dies liegt daran, dass er auf einem nicht-planaren Ringoszillator (NPRO) basiert, bei dem ein einziger Kristall den gesamten Laserresonator bildet und für eine von Natur aus stabile Leistung sorgt, die durch den Einsatz speziell entwickelter Elektronik noch weiter verbessert wird. Anschließend wirdMephisto 1064-nmMephisto durch Festkörperverstärker auf 60 Watt verstärkt, wobei Phasen- und Amplitudenrauschen weiter unterdrückt werden. Dies führt zueiner zirkulierenden Leistung von etwa 0,4 MW im Interferometerarm.

KAGRA wird von der Technischen Universität Tokio betrieben undliefert in Zusammenarbeit mit LIGO und VirgoDaten und Richtungsangaben mit höherer Genauigkeit.

Ergebnisse

Sobald KAGRA seine geplante Empfindlichkeit erreicht hat, wird es zahlreiche Gravitationswellenereignisse registrieren. Ingenieure und Wissenschaftler arbeiten bereits daran, die Leistungsfähigkeit dieser Interferometer weiter zu steigern – obwohl ihre Leistungsfähigkeit bereits jetzt unglaublich ist! Ein Teil dieser Arbeit wird in den Labors der Tokyo Institute of Technology durchgeführt, die zu KAGRA gehören. Hier forschen Professor Kentaro Somiya und seine Kollegen an der Rauschunterdrückung. Somiya erklärt: „Da das thermische Rauschen von KAGRA abnimmt, werden die Daten in naher Zukunft hauptsächlich durch das Quantenrauschen im Lasersystem begrenzt sein. Das sogenannte Quantenrauschen bezeichnet die Unbestimmtheit der Laseramplitude und -phase innerhalb der Grenzen der Quantenphysik. Wir entwickeln derzeit mehrere neue Methoden, um dieses Quantenrauschen zu reduzieren. Ohne Mephisto wäre Mephisto nicht möglich.“ Ihr Ziel ist es, diese Techniken in KAGRA+ und anderen Gravitationswellenteleskopen der nächsten Generation einzusetzen. Professor Somiya plant, seine Spitzentechnologie zunächst im deutschen 600-Meter-Gravitationswellendetektor GEO-HF einzusetzen, um dessen Empfindlichkeit im kHz-Bereich zu verbessern und so deutliche Spuren der durch Neutronensternverschmelzungen verursachten Raum-Zeit-Wellen zu beobachten.

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