Dem Himmel lauschen: Die Entdeckung der Gravitationswellen gab Einstein Recht

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Das Ereignis war bedeutsam – und die Erklärung, die es der Welt ankündigte, kam in einem gebührend aufgeregten Ton, aber auch sparsam und auf den Punkt: Meine Damen und Herren, wir … haben … Gravitationswellen entdeckt! Wir haben es geschafft!

Mit diesen Worten enthüllte David Reitze, Executive Director des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), die Entdeckung am 11. Februar 2016 einem mit Journalisten gefüllten Raum im National Press Club in Washington, DC. (Die eigentliche Entdeckung erfolgte am 14. September 2015.)

Die Entdeckung lieferte den ersten Beweis für Albert Einsteins Glauben an die Existenz von Gravitationswellen, der Teil seiner allgemeinen Relativitätstheorie war. Ein neues Gebiet der wissenschaftlichen Forschung, die sogenannte Gravitationswellenastronomie, hat diese bemerkenswerte Errungenschaft bei LIGO vorangetrieben – durch die Verwendung eines Lasergeräts, das als Interferometer bezeichnet wird und hochpräzise Sensoren, Operationsverstärker und andere Produkte von Analog Devices, Inc. umfasst. (ADI).

Die Quelle der Gravitationswelle war die Kollision zweier Schwarzer Löcher, 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, die eine Gravitationswellenleistung erzeugte, die zehnmal größer war als die kombinierte Strahlungsenergie aller Sterne im Universum.

Sie fanden 100 Jahre später Einsteins [Gravitations-] Wellen, und genau hier passierte es, und hier ist die Maschine, die es getan hat, wundert sich David Kress, Direktor für technisches Marketing bei ADI und MIT-Alumnus. Es gibt nichts Besseres – und ich weiß, dass unsere Teile darin sind.

Dem Universum lauschen

LIGO besteht aus zwei Observatorien und Einrichtungen – eines in Hanford, Washington, und das andere in Livingston, Louisiana –, die beide 2002 in Betrieb genommen wurden. Die National Science Foundation (NSF) finanzierte dieses groß angelegte Physikprojekt, und diese Einrichtungen waren es damals erstellt, gebaut und betrieben von Caltech und MIT. Die Zwillingsobservatorien, die zu den bisher größten und ehrgeizigsten NSF-finanzierten Projekten gehören, wurden entwickelt, um astrophysikalische Gravitationswellen zu beobachten – die eigentlich nicht sichtbar sind. Die einzige Möglichkeit, die Existenz von Gravitationswellen nachzuweisen, besteht darin, in den Himmel zu lauschen.

Jede LIGO-Einrichtung platziert einen Laser in einem Ultrahochvakuum, teilt den Laser in zwei Teile und sendet jeden Strahl einen von zwei senkrecht zueinander angeordneten 2,5-Meilen-Armen hinunter. Die Laserstrahlen werden dann von Spiegeln zurückreflektiert, die an den Enden der Arme angebracht sind.

Interferometer sind Untersuchungswerkzeuge, die routinemäßig in Wissenschaft und Technik eingesetzt werden. Sie arbeiten, indem sie zwei oder mehr Lichtquellen zusammenführen, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das gemessen und analysiert werden kann. Die Interferometer von LIGO wurden entwickelt, um Messungen zu erkennen, die zu klein sind, um mit anderen Methoden erhalten zu werden.

Wenn eine Gravitationswelle vorbeikommt, ändert sie die Zeit in der Umgebung und verursacht eine winzige Bewegung der Arme relativ zueinander in der Größenordnung von 1/1000 der Breite eines Protons. Dadurch werden die relativen Phasen des zurückgesendeten Lichts geändert, sobald die Geräte die Daten empfangen, und Licht an einen optischen Sensor abgegeben, was zu einem messbaren Signal oder Zwitschern führt.

Wenn Sie an ein traditionelles Observatorium denken, haben Sie ein geistiges Bild von jemandem, der durch einen Sucher späht und durch ein Teleskop, das Licht empfängt, in den Weltraum schaut, sagt Rich Abbott, Lead Analog Circuit Designer bei LIGO. Was LIGO tut – und was es einzigartig macht – ist, dass es Gravitationswellen misst, die nicht wie Licht erscheinen. Um die außergewöhnliche Empfindlichkeit des Interferometers von LIGO zu beschreiben, vergleicht er es mit einer Waage: Wenn Sie den ganzen Sand von all unseren Stränden auf der Erde nehmen und auf die Waage häufen könnten, wäre der LIGO-Detektor so empfindlich, dass Sie die Entfernung erkennen könnten von weniger als einem Sandkorn.

Hohe Leistung: LIGO- und ADI-Technologie

LIGO verwendet eine Vielzahl integrierter Schaltungstechnologien von ADI. Die LIGO-Interferometer arbeiten, indem sie alle möglichen Umgebungsgeräusche und Vibrationsquellen vorhersagen und kompensieren. Das bedeutet, dass die vom Interferometer verwendete Laserleistung ultrastabil bleiben muss, mit äußerst geringen Schwankungen in Frequenz und Amplitude.

Aus diesem Grund benötigte das LIGO-Team ein Rückkopplungssystem, um die Lichtleistung angemessen zu messen und gleichzeitig die Amplitude zu steuern. Das erforderte einen ultra-rauscharmen Verstärker mit hoher Leistung. Das LIGO-Team entschied sich für den Operationsverstärker (oder Operationsverstärker) AD797 von ADI aufgrund seiner sehr rauscharmen und verzerrungsarmen Fähigkeiten. Der Operationsverstärker AD797 wird unter anderem auch in Infrarot- und Sonarbildgebungsanwendungen eingesetzt. Auch andere ADI-Produkte kommen in der LIGO-Technologie zum Einsatz:

• Der hochpräzise Temperatursensor AD590 von ADI stabilisiert die Laserfrequenz und misst die Durchschnittstemperatur der Vakuumkammer aus Glas, in der sich der Laser befindet.
• Die Leistung des Lasers kann sich in den Resonanzhohlräumen der Arme schnell auf Kilowatt aufbauen und die Messungen verfälschen. LIGO verwendet einen ADA4700 Hochspannungs-Operationsverstärker, um elektrostatische Aktuatoren anzusteuern, um die Spiegel in Ausrichtung zu halten.
• Solenoide treiben das Spiegelaufhängungssystem von LIGO an. In diesem System misst der AD736 RMS-Chip die Stromzufuhr zu den Solenoiden und ermöglicht so jedes erforderliche und präzise Neigen, Neigen und Gieren.

Die Stabilisierung der Amplitude des Lasers ist einer der Schlüssel zu seiner erfolgreichen Erkennung der Gravitationswellen, da Schwankungen wie Signale erscheinen könnten, bemerkt Abbott. Aus diesem Grund brauchten wir eine so fokussierte, nicht gartentaugliche Lösung.

Einstein Recht durch Leistung beweisen

Das allererste Bild eines echten Gravitationswellensignals wurde ursprünglich bei LIGO Livingston entdeckt; nur 7 Millisekunden später traf es am Standort Hanford ein. Die Entdeckung geschah in der ersten Woche der Verwendung neuer fortschrittlicher LIGO-Laserdetektoren, zu denen die ADI-Technologien für integrierte Schaltkreise gehörten. Das LIGO-Team war begeistert, die Gravitationswellen so kurz nach der Installation des neuen Geräts zu entdecken – und dass das Signal so laut war, dass es unverkennbar war.

Die Verzögerung zwischen der Entdeckung des Gravitationswellensignals und seiner öffentlichen Enthüllung spiegelte die Notwendigkeit des Teams wider, zu untersuchen und zu bestätigen, dass es tatsächlich echt war. Mehrere Wochen lang führten LIGO-Wissenschaftler Experimente an beiden Observatorien durch, um die Möglichkeit auszuschließen, dass eine instrumentelle Anomalie oder ein Softwarefehler die Signale verursachte. Schließlich führten die Wissenschaftler eine sogenannte Korrelations- und Kopplungsanalyse durch, die zu dem Schluss kam, dass das Signal nur aus dem Weltraum stammen konnte. Alle LIGO-Mitarbeiter wurden von da an bis zur öffentlichen Bekanntgabe zur Verschwiegenheit verpflichtet.

Später wurde am Weihnachtstag 2015 eine zweite Gravitationswelle entdeckt. Wieder untersuchten Wissenschaftler gründlich und gaben, nachdem sie den kosmischen Ursprung des Signals bestätigt hatten, seine Entdeckung am 15. Juni 2016 bekannt.

Als Einstein die Existenz von Gravitationswellen und Schwarzen Löchern vorschlug, glaubte er, dass es im Wesentlichen unmöglich wäre, sie tatsächlich festzustellen. Die Tatsache, dass ADI-Sensoren und andere Geräte zur Präzision der Interferometer beigetragen haben, die schließlich dieses Kunststück vollbrachten, ist für diejenigen, die an der Entwicklung der Technologie beteiligt waren, nach wie vor sehr stolz.

Analog Devices unterstützt seit über 40 Jahren Präzisionsanwendungen für Erdbeobachtung, Weltraumkommunikationspositionierung, Trägerraketen und Weltraumforschung, sagt Bob Barfield, Direktor für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung bei ADI. Wenn Sie darüber nachdenken, was sich im Weltraum befindet und was jenseits dessen ist, was wir derzeit wissen, ist es umwerfend. Einige der Dinge, die entdeckt werden – es ist einfach aufregend zu denken, dass wir an der Grenze dazu stehen.

Um mehr zu erfahren und ein Video über das LIGO-Projekt anzusehen, besuchen Sie bitte www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

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