TAMA300 Blazes Trail für verbesserte Gravitationswellenastronomie

Als die Beobachtungen im Jahr 2000 begannen, war TAMA300 einer der weltweit ersten großen interferometrischen Gravitationswellendetektoren. Zu dieser Zeit hatte TAMA300 die weltweit höchste Empfindlichkeit und setzte eine Obergrenze für die Stärke von Gravitationswellensignalen. Die erste Erfassung der tatsächlichen Gravitationswellen erfolgte jedoch 15 Jahre später im Jahr 2015 durch LIGO. Seitdem hat sich die Detektortechnologie so weit verbessert, dass moderne Detektoren mehrere Signale pro Monat beobachten. Die wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Beobachtungen sind bereits beeindruckend und in den nächsten Jahrzehnten werden viele weitere erwartet. TAMA300 nimmt nicht mehr an Beobachtungen teil, ist jedoch weiterhin aktiv und dient als Prüfstand für neue Technologien zur Verbesserung anderer Detektoren.

Die Empfindlichkeit aktueller und zukünftiger Gravitationswellendetektoren ist bei fast allen Frequenzen durch Quantenrauschen begrenzt, das durch die Auswirkungen von Vakuumschwankungen der elektromagnetischen Felder verursacht wird. Aber auch dieses inhärente Quantenrauschen kann umgangen werden. Es ist möglich, die Vakuumschwankungen zu manipulieren, um die Quantenunsicherheiten neu zu verteilen, wobei eine Art von Rauschen auf Kosten der Erhöhung einer anderen, weniger obstruktiven Art von Rauschen verringert wird. Diese als Vakuumquetschen bekannte Technik wurde bereits in Gravitationswellendetektoren implementiert, wodurch ihre Empfindlichkeit gegenüber höherfrequenten Gravitationswellen stark erhöht wurde. Die optomechanische Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld und den Spiegeln des Detektors bewirkt jedoch, dass sich die Auswirkungen des Vakuumquetschens in Abhängigkeit von der Frequenz ändern.

Um diese Einschränkung zu überwinden und bei allen Frequenzen weniger Lärm zu verursachen, hat ein Team von NAOJ, das sich aus Mitgliedern des internen Gravitationswellen-Wissenschaftsprojekts und der KAGRA-Zusammenarbeit (aber auch Forschern der Virgo- und GEO-Zusammenarbeit) zusammensetzt, kürzlich die Machbarkeit von einer Technik, die als frequenzabhängiges Vakuumquetschen bei den für Gravitationswellendetektoren nützlichen Frequenzen bekannt ist, demonstriert. Da der Detektor selbst je nach Frequenz unterschiedlich mit den elektromagnetischen Feldern interagiert, nutzte das Team die Infrastruktur des ehemaligen TAMA300-Detektors, um ein Feld zu erzeugen, das selbst je nach Frequenz variiert. Ein normales (frequenzunabhängiges) zusammengedrücktes Vakuumfeld wird von einem 300 m langen optischen Hohlraum reflektiert.

Diese Technik ermöglicht eine verbesserte Empfindlichkeit sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Frequenzen gleichzeitig. Dies ist ein entscheidendes Ergebnis, das eine Schlüsseltechnologie zur Verbesserung der Empfindlichkeit zukünftiger Detektoren demonstriert. Die Implementierung, die als kurzfristiges Upgrade zusammen mit anderen Verbesserungen geplant ist, wird voraussichtlich den Beobachtungsbereich von Detektoren der zweiten Generation verdoppeln.

Diese Ergebnisse wurden als Zhao, Y., et al. "Frequenzabhängige Quetschvakuumquelle zur Breitband-Quantenrauschreduzierung in fortschrittlichen Gravitationswellendetektoren" in Physical Review Letters vom 28. April 2020. Ein ähnliches Ergebnis wurde von einer Gruppe am MIT unter Verwendung eines 16-m-Filterhohlraums erzielt. Diese zwei Artikel wurden gemeinsam veröffentlicht.

Quelle und weitere Informationen unter: https://www.nao.ac.jp/en/news/science/2020/20200428-gwsp.html