KAGRA: Japans Kryogener Gravitationswellen-Detektor

Wie KAGRA Gravitationswellen detektiert

Die Geschichte der Astronomie ist eng mit dem Fortschritt der Teleskope verbunden, die immer mehr des Universums für uns enthüllt haben. Es begann mit dem primitiven Teleskop von Galileo und anderen Pionieren und geht bis heute weiter.

Mit der Zeit wurden immer mehr Methoden zur Erkennung von Sternenaktivität jenseits des sichtbaren Lichtspektrums entwickelt.

Wir haben bereits mehrere solcher neuen Teleskop-Megaprojekte vorgestellt, wie zum Beispiel:

• DKIST, das leistungsstärkste Solarteleskop der Welt.
• Das James-Webb-Weltraumteleskop, das Millionen von Meilen von der Erde entfernt ist.
• Das Vera-C.-Rubin-Observatorium, ein Überwachungsteleskop, das den gesamten Himmel auf einmal betrachtet.
• SKAO (Square Kilometre Array Observatory), das den Himmel im Radiowellen-Spektrum untersucht.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), das schwer fassbare Neutrinos detektiert.

Eine neue Art von Astronomie entsteht, die den Himmel auf eine völlig neue Weise untersucht: Anstatt Licht und verschiedene Wellenlängen von elektromagnetischen Wellen zu messen, misst sie Gravitationswellen.

Bis vor kurzem nur theoretisch, sind Gravitationswellen jetzt ein bewiesenes Phänomen. Wir haben bereits ein solches “Gravitationswellen-Teleskop” mit dem Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) vorgestellt.

Ein weiteres ist das japanische Projekt Kamioka-Gravitationswellen-Detektor (KAGRA). Im Gegensatz zu LIGOs groß angelegter, mehrstandortübergreifender Strategie konzentriert sich KAGRA auf ultrahochpräzise Messungen mit kryogenen Spiegeln, um Interferenzen zu reduzieren.

Von Einsteins Theorie zu Gravitationswellen

Die Schwerkraft galt lange als “nur” eine der fundamentalen Kräfte des Universums, wie Elektromagnetismus oder die Kraft, die die Atomkräfte antreibt.

Doch zu Beginn des 20. Jahrhunderts beschrieb Einsteins Relativitätstheorie die Schwerkraft als Krümmung von Raum und Zeit.

Seine Theorie beschrieb nicht nur korrekt, wie die Schwerkraft für sehr große Objekte wie Sterne funktioniert, sondern sagte auch viele Raumphänomene voraus, die zu dieser Zeit noch nicht entdeckt worden waren, wie Neutronensterne und Schwarze Löcher.

Eine weitere Vorhersage war die Existenz von Gravitationswellen, die den Raum wie Wellen auf der Oberfläche eines Sees strecken und quetschen.

Im Gegensatz zu einer regulären Lichtwelle oder sogar einer Wasserwelle ist eine Gravitationswelle nicht von Teilchen getragen.

Stattdessen tritt eine Gravitationswelle auf, wenn die Raum-Zeit-Struktur selbst wellt oder vibriert.

Gravitationswellen sind im Wesentlichen ein bestimmtes Segment des Universums, das sich streckt oder zusammenzieht, wodurch eine bestimmte Entfernung länger oder kürzer wird, wenn sie vorbeizieht.

Einige astronomische Ereignisse würden wahrscheinlich massiv genug sein, um Gravitationswellen zu erzeugen, die stark genug sind, um gemessen zu werden, wie zum Beispiel die Kollision von zwei Schwarzen Löchern.

Jedoch bedeutet die enorme Entfernung zwischen der Erde und ihrer Quelle und die Schwierigkeit, die Raum-Zeit selbst zu messen, dass ein ultrasensibles Instrument entwickelt werden muss, um diese Ereignisse zu detektieren.

Wenn die Gravitationswellen die Erde erreichen, Millionen oder Milliarden Lichtjahre entfernt, sind sie Tausende von Milliarden Mal kleiner.

Sie benötigen also hochpräzise Messungen, da die Menge an Raum-Zeit-Schwingungen, die die Gravitationswellen erzeugen, 10.000-mal kleiner ist als der Kern eines Atoms!

Wie Interferometer Gravitationswellen detektieren

Der erste indirekte Beweis für Gravitationswellen wurde durch das Studium der Umlaufbahn eines binären Pulsars erlangt. Der Energieverlust der Umlaufbahnentsprechung entsprach der vorhergesagten Energie, die durch die Erzeugung von Gravitationswellen verloren gegangen wäre, und gewann den Wissenschaftlern, die diese Entdeckung machten, den Nobelpreis für Physik 1993.

Quelle: Nobelpreis

Die direkte Messung erforderte einen anderen Typ von Beweis, der die Verwendung eines Interferometers beinhaltete. Die grundlegende Idee eines Interferometers besteht darin, die Wechselwirkung zwischen Lichtstrahlen zu nutzen. Wenn zwei Lichtwellen die gleiche Wellenlänge haben, überlappen sie sich und erzeugen ein Muster von dunklen und hellen Flecken.

Aber wenn etwas die Entfernung ändert, die diese Wellenlängen zurücklegen, wie eine Gravitationswelle, kann die Störung gemessen werden.

Da die Expansion und Kontraktion von Raum-Zeit durch Gravitationswellen auch einen Arm des Interferometers mehr als den anderen ausdehnen und zusammenziehen, entsteht ein messbarer Effekt von Gravitationswellen.

Innenansicht von KAGRA: Design und Standort

Interferometer-Aufbau (3-km-Arme)

Wie andere Interferometer basiert das grundlegende Konzept von KAGRA auf der Verwendung eines mehrere Kilometer langen Rohrs, in dem ein Laser abgefeuert wird. Dieser Laserstrahl wird dann in zwei senkrechte Pfade aufgeteilt.

Quelle: Nobelpreis

Beide Strahlen werden dann nach dem Aufprall auf einen Spiegel zurückreflektiert. Normalerweise sollten die beiden Laserstrahlen sich gegenseitig aufheben, was zu keinem detektierten Licht führen würde.

Aber wenn ein Arm mehr als der andere durch eine Gravitationswelle kontrahiert oder expandiert wird, hört die Interferenz zwischen den Laserstrahlen auf, und ein Lichtsignal wird detektiert.

Im Jahr 2015 bestätigte das US-amerikanische National Science Foundation Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (NSF LIGO) die Entdeckung der Wellen, die durch die Kollision von Schwarzen Löchern 1,3 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt erzeugt wurden.

Diese bahnbrechende Arbeit brachte den Physikern Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne den Nobelpreis für Physik 2017 ein.

Was KAGRA einzigartig macht (Unterirdisch und Kryogen)

Während LIGO die erste Entdeckung von Gravitationswellen war, könnte KAGRA der nächste Schritt in diesem Bereich der Wissenschaft sein.

Der Grund dafür ist, dass KAGRA unterirdisch gebaut ist und dank eines Upgrades von seinem ursprünglichen Setup, als es noch als Large Scale Cryogenic Gravitational Wave Telescope (LCGT) bezeichnet wurde, KAGRA jetzt Testmasse-Spiegel verwendet, die auf kryogene Temperaturen gekühlt werden.

Die kalte Temperatur ermöglicht viel präzisere Messungen und wird eine wichtige Funktion zukünftiger Interferometer-Projekte sein, wie dem Einstein-Teleskop (geplante Start: 2035) oder dem Cosmic Explorer (geplante Start: 2040er Jahre).

KAGRA-Technische Spezifikationen

KAGRA ist dafür ausgelegt, Gravitationswellen von Neutronenstern-Binärsystemen bis zu ~150 Mpc (~489 Millionen Lichtjahre) zu beobachten, abhängig von der Empfindlichkeit des Detektors während eines bestimmten Beobachtungszyklus.

Der Hauptkörper von KAGRA besteht aus einem Paar 3 km langer (1,8 Meilen) Arm-Tunneln, die sich im rechten Winkel in der horizontalen Ebene treffen. Es handelt sich um die vergrößerte Version des 100 Meter langen Prototyps namens Prototype Cryogenic Detector (CLIO).

Die Anlage befindet sich 200 m (656 Fuß) unter der Erde, was die Geräusche von seismischen Wellen auf der Erdoberfläche erheblich reduziert. Der unterirdische Bau löst damit die meisten der niedrigen Interferenzen, die die Oberflächen-Interferometer-Designs wie LIGO beeinträchtigen.

Trotz der Erdbebenneigung der Region ist dieser spezifische Standort ziemlich abgeschirmt, dank einzigartiger geologischer Merkmale.

„Erdbebenwellen werden geschwächt, wenn sie durch den Tateyama-Gebirgszug verlaufen, der nordöstlich des KAGRA-Standorts liegt.

Dies liegt daran, dass der niedrige Boden mit einer Dichte von etwa 5 km Höhe als Polster wirkt.”

KAGRA ist Teil des Kamioka-Observatoriums, das sich in der Kamioka-Mine befindet, einem Labor, das sich auf die Erkennung von Neutrinos, dunkler Materie und Gravitationswellen spezialisiert hat.

Das Kamioka-Observatorium umfasst auch Super-Kamiokande, einen Neutrinodetektor, der 1998 den ersten Beweis für Neutrino-Oszillationen erbrachte.

Quelle: MDPI

KAGRA wurde am 4. Oktober 2019 nach 9 Jahren Bauzeit fertiggestellt. Seine Systeme wurden 2021-2022 weiter aufgerüstet, nachdem die ersten Beobachtungen, die im Februar 2020 begannen, durch die COVID-Pandemie unterbrochen wurden.

Die KAGRA-Zusammenarbeit besteht aus über 360 Personen aus mehr als 90 Institutionen. KAGRA selbst wird vom Institute for Cosmic Ray Research (ICRR) der Universität Tokio betrieben, mit Beiträgen von der National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) und der High Energy Accelerator Research Organization (KEK).
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