Eine Wärmebildkamera ist im Handel für wenige hundert Euro zu haben und misst nichts weiter als Oberflächentemperaturen. Ausgerechnet dieses Gerät soll dem empfindlichsten Messinstrument der Welt zu einem deutlichen Sprung verhelfen. Physiker der University of California, Riverside, zeigen, dass sich aus Temperaturbildern der LIGO-Spiegel eine Verzerrung rekonstruieren lässt, für die es bislang kein direktes Fehlersignal gab. Die berechnete Verbesserung liegt bei bis zu 31 Prozent Dehnungsempfindlichkeit, und der Effekt entsteht an einer Stelle, an der niemand ein Problem vermutet hätte.
Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit, die von beschleunigten Massen ausgehen und sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Verschmelzen zwei Schwarze Löcher oder zwei Neutronensterne, stauchen und dehnen die dabei abgestrahlten Wellen jede Strecke, die sie passieren, allerdings um einen absurd kleinen Betrag. LIGO misst diesen Betrag mit zwei jeweils vier Kilometer langen, rechtwinklig angeordneten Armen, in denen Laserlicht zwischen Spiegeln hin und her läuft. Ein Interferometer vergleicht die Laufzeiten in beiden Armen und registriert Längenunterschiede, die kleiner sind als der Durchmesser eines Protons. Damit das gelingt, hängen an den Enden der Arme rund 40 Kilogramm schwere Spiegel aus hochreinem Quarzglas, die in einem Ultrahochvakuum schwingungsentkoppelt aufgehängt sind. Jede Störung, die diese Spiegel auch nur minimal aus ihrer idealen Form bringt, schlägt unmittelbar auf die Messgenauigkeit durch.
Das eigentliche Problem entsteht durch den Laser selbst. In den Armresonatoren zirkulieren mehrere hundert Kilowatt optischer Leistung, und obwohl die Beschichtungen der Spiegel zu den reinsten optischen Bauteilen überhaupt gehören, absorbieren sie einen winzigen Bruchteil davon. Die aufgenommene Energie heizt das Glas ungleichmäßig auf, es dehnt sich lokal aus und wölbt sich um wenige Nanometer. Aus dem exakt geformten Lichtstrahl wird dadurch ein leicht verzerrter, was den Kontrast des Interferometers verschlechtert und die Empfindlichkeit still absenkt. Wie folgenreich schon kleinste Störungen sind, wurde bereits deutlich, als Forscher erstmals Gravitationswellen direkt nachweisen konnten und dafür jahrzehntelang an der Unterdrückung von Störeinflüssen gearbeitet hatten. Gegengeheizt wird längst, allerdings weitgehend blind.
Korrigiert wird die thermische Verformung, indem die Spiegel gezielt zusätzlich beheizt werden, bis sich die Wölbung rechnerisch aufhebt. Der Haken daran ist, dass die Anlage die tatsächliche Verformung im Inneren des Glases nicht in Echtzeit erfassen kann, sondern auf Modellannahmen und indirekte Messungen angewiesen ist. Eine Regelung ohne belastbares Fehlersignal bleibt zwangsläufig ungenau. Die Gruppe um Jonathan Richardson stieß eher beiläufig auf die Lösung, während sie ein neues adaptives Optiksystem testete, mit dem sich die Spiegeloberflächen direkt verformen lassen, wie die Mitteilung der University of California, Riverside zum Ablauf schildert. Erst danach fiel auf, dass sich aus den reinen Oberflächentemperaturen bereits alles Nötige ableiten lässt.
Das Verfahren nimmt mit einer handelsüblichen Wärmebildkamera von außerhalb des Vakuumsystems ein Temperaturprofil der Spiegeloberfläche auf. Dieses Profil wird auf ein Finite-Elemente-Modell des Bauteils abgebildet, dessen kompletter thermischer Zustand sich damit eindeutig bestimmen lässt. Aus dem Wärmefluss im Inneren folgt die Verformung über die gesamte Apertur, kalibriert über die bereits vorhandenen Hartmann-Wellenfrontsensoren. Damit steht erstmals ein direktes Fehlersignal für eine präzise Wellenfrontregelung in Echtzeit zur Verfügung. Bemerkenswert ist, dass dafür keinerlei neue Technologie entwickelt werden musste, was für eine LIGO-Aufrüstung ungewöhnlich ist. Auch andere Bereiche der Astronomie profitieren regelmäßig davon, wenn bestehende Instrumente neu ausgewertet werden, wie zuletzt bei der Analyse der bislang massereichsten Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher.
Für den anstehenden Ausbaustand LIGO A+ berechnet das Team eine Verbesserung der Dehnungsempfindlichkeit von bis zu 31 Prozent bei einem Konfidenzniveau von 95 Prozent. Der Gewinn fällt bei hohen Frequenzen am größten aus, weil dort das Quantenrauschen des Lichts das Rauschniveau bestimmt. Die himmelsgemittelte Reichweite für die Verschmelzung zweier Neutronensterne wächst dadurch um rund 10 Megaparsec, das sind etwa 33 Millionen Lichtjahre. Entscheidend ist dabei nicht die Strecke, sondern das Volumen: Weil das beobachtbare Raumvolumen mit der dritten Potenz der Reichweite wächst, steigt die Zahl der erwartbaren Ereignisse überproportional. Die Technik ist bereits in die Planung von Cosmic Explorer eingeflossen, einem geplanten Observatorium der nächsten Generation in den Vereinigten Staaten mit 40 Kilometer langen Armen. Offen bleibt, wie sich das Verfahren im laufenden Messbetrieb unter realen Bedingungen schlägt.
Classical and Quantum Gravity, Error signals for overcoming the laser power limits of gravitational-wave detectors; doi:10.1088/1361-6382/ae86aa