SC1/ GRAVITATIONSWELLEN-ASTRONOMIE

Seit Anbeginn der Menschheit ist die Astronomie Antriebskraft für wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fortschritt. Elektromagnetische Strahlung, zu der auch Licht gehört, ist unser bedeutendstes Fenster zum Universum, da es die Weiten des Weltalls überwinden kann [1]. Jedoch sind ganze Regionen und Vorgänge des Weltalls unserem Blick entzogen, da uns von ihnen keine elektromagnetischen Signale erreichen oder diese überdeckt werden. Im Gegensatz zu Licht können die von Einstein vorhergesagten Gravitationswellen [2] weitestgehend ungestört alle Arten von Materie durchdringen. Sie entstehen, wenn riesige Massen beschleunigt werden [3]. Astronomie mit Gravitationswellen kann ein vollkommen neues Fenster in den Kosmos öffnen.

Nach 50 Jahren internationaler wissenschaftlicher Anstrengungen gelang 2015 dem Wissenschaftlerteam von Advanced LIGO [4], den derzeit empfindlichsten Gravitationswellendetektoren überhaupt, die Sensation: die erste Messung einer Gravitationswelle [5, 6], welche ursprünglich nicht vor 2017 erwartet worden war [7, 8]. Dieser Meilenstein ist die Grundlage für die Nutzung von Gravitationswellen in der Astronomie legen.

Die exotische Wechselwirkung von Gravitationswellen mit Materie erlaubt es, in Regionen des Universums zu sehen, die uns bis jetzt unzugänglich sind und in denen unser Verständnis der grundlegenden Physik minimal ist. Unser Wissen über die fundamentalen Fragen von Entstehung, Zustand und Schicksal unseres Universums wird sich vervielfachen. So werden Fortschritte in folgenden Themenfeldern erwartet [9]:

  • Grundlagenphysik: wenn schwarze Löcher kollidieren oder massereiche Sterne „verschlingen“ werden intensive Gravitationswellen abgestrahlt. Dies ermöglicht es die Einstein’schen Theorien in starken Gravitationsfeldern zu überprüfen.
  • Elementarteilchenphysik: Die gravitationswellengestützte Beobachtung kollidierender Doppelsysteme kann Informationen über das Verhalten von Materie unter extremsten Bedingungen liefern.
  • Kosmologie: Eine direkte Beobachtung von Signalen der Entstehung schwarzer Löcher wird uns eine neue Perspektive auf die Entwicklung des Universums eröffnen sowie die Frage beantworten, wie viele schwarze Löcher es im Universum gibt.
  • Kosmographie: Die Messung der „Helligkeit“ von Gravitationswellen wird es erlauben die Hubble-Konstante mit nie dagewesener Präzision zu vermessen. Diese gibt Auskunft über die Größe des Universums und über seine zukünftige Entwicklung.
  • Astrophysik: Gravitationswellen von Supernova-Explosionen erlauben Rückschlüsse über die Dynamik kollabierender Sterne.

Zur Bearbeitung dieser Fragestellungen muss die Empfindlichkeit aktueller Gravitationswellendetektoren gesteigert werden. Dies soll das „Einsteinteleskop“ (ET), ein Detektor der nächsten Generation ab 2028, leisten [8]. Ein Entwurf für das ET wurde unter 57 Forschungseinrichtungen aus Europa, den USA und Asien erarbeitet  und abgestimmt.

Ein Herzstück ist ein tiefgekühltes Interferometer [10] – genannt ET-LF – in dem photonische Hochleistungskomponenten Gravitationswellen vermessen und die Wissenschaftler befähigen Höchstleistungen zu erreichen. Die Abforderungen an die optischen Komponenten von ET-LF sind so extrem, dass diese mit den Stand der Technik noch nicht umgesetzt werden können. Einige Eigenschaften sind in Tab. 1 schlaglichtartig zusammengestellt.

Tab. 1: Technische Parameter des ET-LF
Tab. 1: Technische Parameter des ET-LF

ENABLER: RAUSCHARME, KRYOGENE NANOSTRUKTUREN

Die Performance von Gravitationswellendetektoren wird durch das thermische Rauschen der Optiken und deren Funktionsschichten begrenzt [11]. Deren Tieftemperatureigenschaften [12] müssen deutlich über das Potential klassischer Schichtsysteme verbessert werden.

Aktuell gibt es zwei Alternativansätze, dieses Problem zu lösen und damit Gravitationswellenobservatorien zu befähigen, ihre Mission umzusetzen:

  • kristalline AlxGa1-xAs Schichtsysteme [13]
  • resonante Silizium-Wellenleitergitter [14]
Silizium-Nanostrukturen sind die Grundlage für resonante Wellenleiterspiegel und befähigen die Detektion von Gravitationswellen.
Silizium-Nanostrukturen sind die Grundlage für resonante Wellenleiterspiegel und befähigen die Detektion von Gravitationswellen.

Die Vorteile der resonanten Wellenleitergitter beruhen auf ihrer monolithischen Beschaffenheit. Durch den Verzicht auf weitere Materialien sind keine Verformungen oder Verspannungen zu erwarten [15]. Dies ist ein wichtiger Vorteil gegenüber kristallinen Schichtsystemen, deren unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei der Abkühlung Spannungen verursachen und zur Zerstörung des Spiegels führen können. Aus diesen Gründen wird sich NPL mit seiner starken Kompetenz in Nanostrukturtechnologie auf resonante Wellenleitergitter konzentrieren und strebt an, diese gemeinsam mit Endanwendern zur technologischen Reife zu bringen.


WISS.-TECHNOLOGISCHE UMSETZUNG

Zur Herstellung der Optiken sind nur schreibende Verfahren mit hochgenauen Koordinatentischen zielführend (Elektronenstrahllithographie, Scanning-Beam-Interferenz-Lithographie), da die hohen Genauigkeitsforderungen mit großflächiger Interferenzlithographie nicht erreichbar sind. Das hohe Substratgewicht, die extremen Substrat- und Bearbeitungskosten sowie das Risiko der Urbilderzeugung lassen jedoch Direktschreibprozesse als extrem risikoreich erscheinen. Mittel der Wahl sind deshalb Replikationsverfahren mit großflächigen „Stempeln“. Zentrale technische Herausforderungen sind:

  • Stempelherstellung (Elektronenstrahllithographie oder Scanning-Beam-Interferenz-Lithographie sowie Ätz- und Beschichtungstechniken)
  • Replikation auf Spiegelsubstrat (Nanoimprint Lithography in Kombination mit Ätz- und Beschichtungstechniken)

Zur technologischen Bearbeitung sind derzeit keinerlei gerätetechnische Voraussetzungen und Verfahrensabläufe einsatzfertig vorhanden. Bearbeitungsanlagen, Technologie und Messtechnik werden in Zusammenarbeit mit Partnern entwickelt werden und u. a. mit einer Nachwuchsforschungsgruppe beim Projektpartner PTB, abgesichert.


INVESTITIONSBEDARFE

Beschriebene Investitionen für Ausrüstung und Gebäude beziehen sich auf die Entwicklung der Optikfertigung mit den für die Gravitationswellenastronomie notwendigen Eigenschaften. Zu dieser Technologieentwicklung gehört eine Entwicklungsphase für die Stempel- bzw. Maskenfertigung, für die Replikation und für die Ätztechniken auf Testsubstraten mit erleichterten Substratgrößen und Genauigkeitsforderungen.

Silizium-Nanostrukturen sind die Grundlage für resonante Wellenleiterspiegel und befähigen die Detektion von Gravitationswellen.

WICHTIGE PROJEKTE DER NPL-PARTNER MIT BEZUG ZUM SCIENCE CASE

  • High resolution interferometer based on reflective optical components für SFB/Transregio 7 Gravitational Wave Astronomy bei Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) in Zusammenarbeit mit Leibniz Universität Hannover, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), Eberhard Karls Universität Tübingen, Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPIA) wwwsfb.tpi.uni-jena.d.
  • High-reflection waveguide coatings of detector test masses für SFB/Transregio 7 Gravitational Wave Astronomy bei Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) in Zusammenarbeit mit Leibniz Universität Hannover, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), Eberhard Karls Universität Tübingen, Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPIA) wwwsfb.tpi.uni-jena.de.

REFERENZEN

[1] L.D. Landau and E.M. Lifshitz. The Classical Theory of Fields, volume2. Butterworth Heinemann, 4th edition (1980).

[2] A.Einstein. Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation. Wiley Online Library (1916).

[3] B.Sathyaprakash and B.F. Schutz. Physics, astrophysics and cosmology with gravitational waves. Living Rev. Relativ., 12 (2009). doi: 10.1007/lrr-2009-2.

[4] Advanced LIGO News. Ligo o1 progress report (2015).

[5] B.P. Abbott, R.Abbott, T.D. Abbott etal. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger. Phys. Rev. Lett., 116:061102 (2016). doi: 10.1103/PhysRevLett.116.061102.

[6] B.P. Abbott, R.Abbott, T.D. Abbott etal. Properties of the binary black hole merger gw150914. Phys. Rev. Lett., 116:241102 (2016). doi: 10.1103/PhysRevLett.116.241102.

[7] Status and Perspective of Astroparticle Physics in Europe. Astroparticle Physics European Coordination Peer Review Committee (2011).

[8] ET science team. Einstein gravitational wave Telescope Conceptual Design Study (2011).

[9] B.Sathyaprakash, M.Abernathy, F.Acernese etal. Scientific objectives of Einstein telescope. Class. Quantum Grav., 29:124013 (2012). doi: 10.1088/0264-9381/29/12/124013.

[10] R.X. Adhikari. Gravitational radiation detection with laser interferometry. Rev. Mod. Phys., 86:121 (2014). doi: 10.1103/RevModPhys.86.121.

[11] G.M. Harry, A.M. Gretarsson, P.R. Saulson etal. Thermal noise in interferometric gravitational wave detectors due to dielectric optical coatings. Class. Quantum Grav., 19:897 (2002). doi: 10.1088/0264-9381/19/5/305.

[12] I.Martin, H.Armandula, C.Comtet etal. Measurements of a low-temperature mechanical dissipation peak in a single layer of ta 2 o 5 doped with tio 2. Class. Quantum Grav., 25:055005 (2008). doi: 10.1088/0264-9381/25/5/055005.

[13] G.D. Cole, W.Zhang, M.J. Martin etal. Tenfold reduction of brownian noise in high-reflectivity optical coatings. Nat. Photonics, 7:644 (2013). doi: 10.1038/nphoton.2013.174.

[14] F.Brückner, D.Friedrich, T.Clausnitzer etal. Realization of a monolithic high-reflectivity cavity mirror from a single silicon crystal. Phys. Rev. Lett., 104:163903 (2010). doi: 10.1103/PhysRevLett.104.163903.

[15] D.Heinert, S.Kroker, D.Friedrich etal. Calculation of thermal noise in grating reflectors. Phys. Rev. D, 88:042001 (2013). doi: 10.1103/PhysRevD.88.042001.

Gravitationswellen
Gravitationswellen

ANWENDER

Gravitationswellendetektoren und -observatorien

WISSENSCHAFTSFELDER

- Grundlagenphysik
- Kernphysik
- Elementarteilchenphysik
- Kosmologie
- Kosmografie
- Astrophysik

ENABLER

- rauscharme, kryogene Nanooptiken

Gravitational waves […] will open a new window to probe fundamental physics processes in regions and at energy scales hitherto not accessible.

(aspera – Astroparticle physics for Europe)

A dominant contribution [to the overall thermal noise] is […] caused by mechanical loss of the high reflective […] coatings.

(Einstein Telescope Design Study)

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