Megaprojekte
LIGO: Präzisions-Optik zur Erkennung von Gravitationswellen
Gravitation sehen: Wie LIGO Gravitationswellen erkennen kann
Die Geschichte der Astronomie ist eng mit dem Fortschritt der Teleskope verbunden, die immer mehr von dem Universum preisgeben. Es begann mit den primitiven Teleskopen von Galileo und anderen Pionieren und setzt sich heute fort.
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 Übersichtsteleskop, das den gesamten Himmel auf einmal betrachtet.
- SKAO (Square Kilometer Array Observatory), das den Himmel im Radiowellen-Spektrum untersucht.
- DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), das elastische Neutrinos erkennen kann.
Eine neue Art von Astronomie entsteht, die das Universum auf eine völlig neue Weise untersucht: anstelle von Licht und Wellenlänge elektromagnetischer Wellen werden Gravitationswellen gemessen.
Bis vor kurzem nur theoretisch, sind Gravitationswellen nun ein bewiesenes Phänomen. Ein Projekt untersucht Möglichkeiten, sie zu messen: das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO).
Gravitation mit Gravitationswellen-Astronomie messen
Die Gravitation galt lange als eine der fundamentalen Kräfte des Universums, wie Elektromagnetismus oder die Kraft, die die Atomkräfte auf atomarer Ebene antreibt.
Aber zu Beginn des 20. Jahrhunderts beschrieb Einsteins Relativitätstheorie die Gravitation als Krümmung von Raum und Zeit.
Seine Theorie beschrieb nicht nur korrekt, wie Gravitation für sehr große Objekte wie Sterne funktioniert, sondern sagte auch viele Raumphänomene voraus, die zu diesem Zeitpunkt noch nicht entdeckt worden waren, wie Neutronensterne und Schwarze Löcher.
Eine weitere Vorhersage waren Gravitationswellen, die den Raum wie Wellen auf der Oberfläche eines Sees ausdehnen und zusammenziehen.
Einige Ereignisse wären wahrscheinlich massiv genug, um Gravitationswellen zu erzeugen, die stark genug sind, um gemessen zu werden, wie zum Beispiel die Kollision von zwei Schwarzen Löchern.
Jedoch ist es egal, wie leistungsstark ein solches Phänomen in absoluten Zahlen ist, die enorme Entfernung zwischen der Erde und seiner Quelle und die Schwierigkeit, die Raum-Zeit selbst zu messen, bedeuten, dass ein ultrasensibles Instrument entworfen werden muss, um diese Ereignisse zu erkennen.
Wenn die Gravitationswellen die Erde erreichen, Millionen oder Milliarden von Lichtjahren entfernt, sind sie Tausende von Milliarden Mal kleiner.
Dies ist der Grund, warum ein Instrument wie LIGO konzipiert wurde.
Für die Gravitationswellen von LIGOs erster Entdeckung war die Menge an Raum-Zeit-Schwingungen, die sie erzeugten, 10.000 Mal kleiner als der Kern eines Atoms!
Wie Interferometer Gravitationswellen erkennen
Der erste indirekte Beweis für Gravitationswellen wurde durch das Studium der Umlaufbahn eines Doppel-Stern-Systems erlangt. Der Energieverlust der Umlaufbahn entsprach der vorhergesagten Energie, die durch die Erzeugung von Gravitationswellen verloren gehen würde, und brachte den Wissenschaftlern, die diese Entdeckung machten, den Nobelpreis für Physik 1993 ein.
Quelle: Nobelpreis
Eine 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 aus dunklen und hellen Flecken.
Aber wenn sich diese Wellenlängen ändern, kann die Störung gemessen werden.
Da die Ausdehnung 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.
LIGO – Eine nobelpreisgekrönte Leistung
In seiner einfachsten Form besteht LIGO aus 2 langen Armen, die mit Lichtstrahlen versehen sind, die jeweils 4 km oder 2 ½ Meilen lang sind. Die Größe des Arms hilft dabei, sogar die kleinsten Variationen zu erkennen, da die längeren Arme die kleinsten Messungen ermöglichen.
Ein Laserstrahl wird durch einen Arm des Interferometers gesendet, der in zwei Strahlen aufgeteilt wird. Beide Strahlen werden dann nach dem Aufprall auf einen Spiegel zurückreflektiert.
Normalerweise sollten die beiden Laserstrahlen sich gegenseitig aufheben.
Aber wenn ein Arm durch eine Gravitationswelle mehr als der andere kontrahiert oder expandiert wird, hört die Interferenz zwischen den Laserstrahlen auf, und ein Lichtsignal wird erkannt.
Quelle: Nobelpreis
Im Jahr 2015 bestätigte das US-amerikanische National Science Foundation Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (NSF LIGO) die Entdeckung von 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.
Aufbau von LIGO
In der Theorie ist LIGO ein relativ einfaches Konzept, das leicht zu verstehen ist, sobald man sich mit dem Konzept von Gravitationswellen und mit einem Minimum an Verständnis von Licht und Lasern auseinandergesetzt hat.
Die Konstruktion eines Systems, das präzise genug ist, um eine Variation von 1/10.000 des Atoms zu erkennen, ist eine andere Geschichte.
Zwei ähnliche Einrichtungen wurden gebaut, eine im Nordwesten der USA und eine in Louisiana, die etwa 3.000 km (1.860 Meilen) voneinander entfernt sind.
Quelle: Nobelpreis
Die doppelte Einrichtung dient als Bestätigung, da ihre große Entfernung bedeutet, dass eine Gravitationswelle eine siebensekündige “Verzögerung” zwischen den beiden haben wird, während sie das gleiche Signal erzeugt.
So kann, während eine einzelne Entdeckung immer als möglicher Fehler oder lokale Störung betrachtet werden kann, das gleiche Ereignis auf beiden Seiten der USA bei genau dem vorhergesagten Zeitintervall fast unmöglich sein.
Die doppelten Einrichtungen bieten auch einen unschätzbaren Vorteil: die Möglichkeit, das Signal zu triangulieren. Dies ermöglicht es, die Region des Himmels, aus der das Signal stammen könnte, einzugrenzen, die später von “regulären” Astronomen identifiziert wird, die herausfinden, welches Sternobjekt dafür verantwortlich sein könnte.
LIGOs Suche nach unvergleichlicher Messgenauigkeit
Das erste technische Hindernis ist, dass die Wellenlänge und Intensität des Laserlichts so stabil wie möglich sein müssen. Ohne dies könnten zufällige Fluktuationen als Signal einer Gravitationswelle fehlinterpretiert werden.
Dann muss der Strahl genau auf die aufgehängten Spiegel treffen. Diese Spiegel dürfen sich nicht bewegen.
Sie sollten sich kaum bewegen, nicht einmal, wenn Blätter von nahegelegenen Bäumen fallen, ein Kind vorbeiläuft oder ein Lastwagen auf einer entfernten Straße passiert. Gleichzeitig müssen diese aufgehängten Spiegel frei schwingen, um die Passage von Gravitationswellen zu ermöglichen.
Minute Variationen, die nicht durch Gravitation verursacht werden, müssen auch kompensiert werden, wie zum Beispiel:
- Die thermische Bewegung von Atomen auf der Oberfläche der Spiegel
- Quanteneffekte im Laser.
- Seismische Erschütterungen.
- Jede Luftunreinheit würde interferieren, was erfordern würde, dass das gesamte Experiment in massiven Vakuumrohren durchgeführt wird.
In der Theorie würden längere Arme als 4 km noch präzisere Messungen ermöglichen, aber in der Praxis gibt es eine praktische Grenze für die Größe, die ein Interferometer haben kann.
Daher wurde schnell klar, dass dieses Projekt, neben den vorläufigen Arbeiten, viel mehr Budget und technisches Know-how erforderte, als eine kleine Forschungsgruppe bieten konnte.
So transformierte der Wissenschaftler Barry Barish von CalTech 1994 die kleine Forschungsgruppe von etwa 40 Personen in eine große internationale Zusammenarbeit mit über 1.000 Teilnehmern und einer anfänglichen Finanzierung von 395 Mio. USD.
Es würde insgesamt 200 Mio. USD kosten, um den Durchbruch von 2015 zu erreichen, als LIGO 10-mal leistungsstärkere Laser, Spiegel mit einem Gewicht von 40 kg, hochentwickelte Rauschunterdrückung und eines der größten Vakuumsysteme der Welt erhielt.
Seismische Stabilisierung
Da die Erde niemals perfekt stabil ist, sind auch die Spiegel von LIGO ohne seismische Stabilisatoren nicht stabil.
Ein erstes System der passiven Schwingungsdämpfung wurde auf den Spiegeln installiert: ein komplexes Pendelsystem, das Schwingungen absorbiert und sie vom nächsten Teil abblockt.
Kombiniert ist diese Struktur so effektiv bei der Reduzierung von Schwingungen, dass jede Schwingung, die am oberen Ende der Aufhängung vorhanden ist, 100 Millionen Mal kleiner wird, wenn sie das Testgewicht selbst erreicht.
Quelle: LIGO
Auch dies war nicht genug, so dass es durch ein aktives Stabilisierungssystem ergänzt wird. Seismometer um jeden Beobachtungspunkt herum erfassen eine Reihe von Bodenbewegungen und senden diese Signale an einen Computer, der sie kombiniert und Gegenbewegungen bestimmt.
Quelle: LIGO
Die Bedeutung der Abwesenheit von Vibrationen war ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl eines Standorts für den Bau der Interferometer. Nicht nur mussten sie viel freien Raum haben, sondern auch keine menschliche Aktivität, die viele Vibrationen erzeugt, das Äquivalent von Lichtverschmutzung für die Erkennung von Gravitationswellen.
Optik
Mit einem Gewicht von jeweils 40 kg und am unteren Ende der Aufhängungen hängend, bestehen LIGOs Optiken aus ultrareinen Materialien, die in Nanometer-dicken Schichten aufgetragen sind. Sie sind mit Materialien beschichtet, die alle bis auf einen von fünf Millionen Photonen, die sie treffen, reflektieren!
Laser
Der Kern des Experiments, der Laser, muss eine sehr stabile Wellenlänge haben, um das Interferenzmuster konsistent zu halten und nur durch Gravitationswellen gestört zu werden.
Kommerzielle Laser wären nicht so präzise gewesen. Also wurde LIGOs Laser speziell entwickelt, um einer der stabilsten und reinsten Laser seiner Art zu sein, die jemals erfunden wurden.
Vakuum
Um jede Interferenz von Luft oder schwebenden Partikeln zu reduzieren, werden die Tests unter ultrahochvakuum-Bedingungen durchgeführt.
Es entfernt auch das Risiko, dass Staub auf den Spiegeln ansammelt, der durch den Laser verbrannt und die 2-Mio.-Dollar-Spiegel zerstören würde.
Der atmosphärische Druck in LIGOs Armen ist ein Billionstel dem des Meeresspiegels, was bedeutet, dass es nur etwa 10 Millionen Moleküle pro Kubikzentimeter gibt.
LIGO-Erfolge
Nach der ersten Entdeckung von Schwarzen Löchern, die 2015 kollidierten, maß das Observatorium viele andere hochenergetische Ereignisse im Universum:
- Eine weitere Verschmelzung von Schwarzen Löchern im Jahr 2016, jeweils mit etwa 30 Sonnenmassen, die 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt waren, oder fast 1/10 der Entfernung des gesamten beobachtbaren Universums.
- Eine dritte und dann eine vierte Verschmelzung von Schwarzen Löchern im Jahr 2017.
Danach wurde LIGO geschlossen, um verbessert zu werden, bis 2019, bevor es durch die Pandemie unterbrochen wurde. Wissenschaftler nutzten die Gelegenheit, um weitere Verbesserungen vorzunehmen und das Netzwerk VIRGO, die europäische Schwesteranlage außerhalb von Pisa in Italien, hinzuzufügen.
Zukunft von LIGO
Frühere Verbesserungen haben LIGO dazu gebracht, nicht weniger als 79 Entdeckungen von Gravitationswellen in den letzten Jahren zu machen und ein umfangreiches Verzeichnis von Ereignissen mit Neutronensternen und Schwarzen Löchern für andere Astronomen zu erstellen, um sie genau zu identifizieren und besser zu verstehen.
Eine wichtige zukünftige Aufrüstung wird die Ersetzung des aktuellen 40-kg-Spiegels durch 100-kg-Spiegel sein, zusammen mit viel größeren Aufhängungssystemen.
Die erhöhte Empfindlichkeit sollte dabei helfen, weitere Informationen über die Gravitation im Universum zu gewinnen.
Ein weiteres Forschungsgebiet sind “Burst-Gravitationswellen”. Diese kurzlebigen Wellen von unbekannten oder unvorhersehbaren Quellen sind nur theoretisch und schwer zu erkennen, so dass die Analysten, die LIGO betreiben, offen für das sein müssen, was ein gültiges Signal ist oder nicht.
„Wir können auch Gravitationswellen von Systemen erkennen, von denen wir bisher nichts wussten. Um nach diesen Arten von Gravitationswellen zu suchen, können wir nicht annehmen, dass sie gut definierte Eigenschaften wie die haben, die LIGO-Wissenschaftler zuvor modelliert haben.
Dies bedeutet, dass wir unsere Analysen nicht auf die Suche nach den Signaturen von Gravitationswellen beschränken können, die Wissenschaftler vorhergesagt haben.“
Andere Gravitationswellen-Detektoren
Die nächste Generation von Interferometern ist auch im Gespräch, insbesondere Cosmic Explorer, ein Interferometer mit 40-km-langen Armen, oder das Einstein-Teleskop, ein dreieckiges Detektor mit 10 km langen Armen, das tief unter der Erde vergraben ist.
Ein weiteres Projekt, das in Zukunft gesehen werden könnte, ist ein enormer weltraumgestützter Gravitationswellen-Detektor: LISA, Laser-Interferometer-Weltraumantenne. Es wird bereits von einem von der Europäischen Weltraumagentur geleiteten Projekt entworfen und getestet, das drei Raumfahrzeuge in einer dreieckigen Formation betreiben wird, wobei der Abstand zwischen jedem Satelliten 2,5 Millionen Kilometer beträgt.
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| Detektor | Standort | Arm-Länge | Typ | Status |
|---|---|---|---|---|
| LIGO | USA | 4 km | Bodengestütztes Interferometer | In Betrieb |
| VIRGO | Italien | 3 km | Bodengestütztes Interferometer | In Betrieb |
| KAGRA | Japan | 3 km | Unterirdisches Interferometer | In Betrieb |
| Cosmic Explorer | USA | 40 km | Bodengestütztes Interferometer | Geplant |
| LISA | Weltraum | 2,5 Millionen km (zwischen den Raumfahrzeugen) | Weltraumgestütztes Interferometer | In Entwicklung |
Schlussfolgerung
LIGO ist ein sehr beeindruckendes Projekt, da es von einem ersten seiner Art-Experiment zu einer sofortigen Validierung der Existenz von Gravitationswellen führte.
Ein Projekt wie LIGO mag auf den ersten Blick rein akademisch erscheinen. Dies ist jedoch selten der Fall, obwohl die direkten Anwendungen möglicherweise schwer vorstellbar sind.
Zum Beispiel wird Einsteins Relativitätstheorie heute routinemäßig verwendet, um die Positionen von GPS-Satelliten zu kalibrieren, eine Anwendung, die 1919 als täglicher kommerzieller Bedarf schwer vorstellbar war.
Ähnlich ist LIGO dabei, Wissenschaftler zu zwingen, immer präzisere Spiegel, Stabilisierungssysteme und Laser zu erfinden, mit weltweit führenden Ingenieurleistungen.
Diese Innovationen werden wahrscheinlich Früchte in jeder Technologie tragen, die diese Geräte verwendet, einschließlich fortschrittlicher Computer oder Raumfahrttechnologien.
Investition in fortschrittliche Optik
Corning Incorporated
(GLW )
Da Teleskope das Machbare in Bezug auf Präzisionsfertigung von fortschrittlichem Glas vorantreiben, eröffnen sich auch viele industrielle Möglichkeiten in Bereichen wie Automobil, Halbleiter, KI, Verteidigung, Biotechnologie, Gesundheitswesen usw. Der Markt für fortschrittliche Optik ist ein Markt im Wert von 310 Milliarden USD, der bis 2032 mit 9,2 % p. a. wachsen soll.
Corning ist ein Glas- und Optikunternehmen, das seit 170 Jahren existiert. Im Laufe seiner Geschichte produzierte es die ersten Glühbirnen für Thomas Edisons elektrisches Licht, das erste low-loss-Optikglas, die zellularen Substrate, die katalytische Konverter ermöglichen, und das erste kratzfeste Deckglas für mobile Geräte.
Quelle: Corning
Heute konzentriert sich das Unternehmen auf die Kerntechnologien der Glas- und Keramikherstellung sowie Optikphysik-Technologien, die gemeinsame Herstellungsprozesse und Endmärkte teilen.
Quelle: Corning
Diese Verbindung von Technologien ermöglicht es dem Unternehmen, gemeinsame Herstellungs-, Forschungs- und Ingenieurleistungen zwischen seinen verschiedenen Produktlinien zu teilen. Mit 52.000+ Mitarbeitern, 77+ Produktionsstandorten weltweit und 10+ Forschungseinrichtungen ist das Unternehmen ein großer Spieler in seinem Nischenmarkt.
Quelle: Corning
Das Unternehmen profitiert von dem Boom in KI und Datenzentren (Optikfasern) sowie von der allgemeinen Nachfrage nach Spezialglas in Bildschirmen und Biotechnologie.
Corning sollte nicht stark von Zöllen betroffen sein, da 90 % der US-Umsätze aus Produkten mit US-Ursprung stammen. Nur ein kleiner Teil der in China getätigten Verkäufe stammte aus US-Einrichtungen, wobei 80 % der chinesischen Verkäufe in China hergestellt wurden.
Zölle könnten sogar helfen, da Corning in den Solarmarkt eintritt, mit der strategischen Kontrolle von Hemlock Solar, um in den USA hergestellte Solarmodule zu produzieren, da asiatische Solarmodule (nicht nur chinesische) quadratzahlige Zölle unterliegen. 80 % der Kapazität sind bereits von Kunden verbindlich gebucht.
Solarenergie macht für das Unternehmen viel Sinn, da die Handhabung von Silizium eine Kernfertigungsexpertise des Unternehmens darstellt, das bereits seit 60 Jahren polysilizium herstellt, einschließlich ultrareinen Siliziums (99,9999999999 % rein) und jetzt die Produktion von Siliziumwafern startet, ein in den USA zu 100 % importiertes Produkt.
Quelle: Corning
Das Unternehmen sieht auch andere fortschrittliche Technologien, bei denen seine Expertise in Glas und Keramik einen soliden Vorteil bieten könnte, wie biegbares Glas, AR, CO2-Abscheidung usw.
Quelle: Corning
Insgesamt ist Corning ein tief technisches Unternehmen mit lokaler Fertigung, die nicht unter der Deglobalisierung leiden sollte. Es beschreitet auch neue Märkte, die seinen Kernkompetenzen entsprechen, insbesondere Solarenergie und optische Kommunikation / KI-Infrastruktur. Dies macht es sowohl zu einem konservativen Unternehmen, das nur tiefer in seine Nische eindringt, als auch zu einem potenziellen Wachstumsaktien in High-Tech-Märkten.
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