D15 Beobachtungskosmologie: Gravitationswellen als Standardsirenen

Thema

Das Schlüsselelement dieses Modells ist das Netzwerk von Laserinterferometern mit mehreren Kilometer langen Armen, das die durch die Verschmelzung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen verursachten Raumzeitverzerrungen misst – ein Effekt, der so gering ist, dass sich die Länge jedes Arms weit weniger verändert als der Durchmesser eines einzelnen Protons.

Das Prinzip dieses Netzwerks ist einfach: Ein Laserstrahl teilt sich auf und verläuft entlang zweier zueinander senkrechter Arme. Die durch eine Gravitationswelle verursachte Differenz der optischen Weglänge zwischen diesen beiden Armen äußert sich in einer messbaren Verschiebung des resultierenden Interferenzmusters.

Für dieses Netzwerk sind Neutronensternverschmelzungen besonders wertvolle Standardindikatoren: Die Amplitude der Gravitationswelle selbst liefert direkt die Leuchtkraftentfernung, ohne dass die Schritte der traditionellen Entfernungsleiter erforderlich sind, während ein mögliches elektromagnetisches Gegenstück wiederum die Rotverschiebung liefert. Zusammen ermöglichen diese beiden Datenpunkte die Messung der Expansionsrate des Universums mit einer Methode, die völlig unabhängig von allen bisherigen ist.

Das Bemerkenswerteste an diesen Instrumenten ist ihre Fähigkeit, nahezu alle anderen Störquellen zu unterdrücken, bis das Signal der Raumzeit selbst messbar wird: Mehrstufige Aufhängungen isolieren die Spiegel um viele Größenordnungen von Bodenerschütterungen, ein extrem hohes Vakuum herrscht in den Strahlrohren, und die Laserleistung wird in optischen Resonatoren um ein Vielfaches verstärkt.

Die erste so detektierte Neutronensternverschmelzung lieferte die Leuchtkraftentfernung direkt aus der Amplitude der Welle, während ein separates Spektrometer die Rotverschiebung ihres sichtbaren Leuchtens maß. Damit gelang die erste Messung der Expansionsrate des Universums mithilfe dieser völlig neuen Methode. Vom Netzwerk der Laserinterferometer, mit dem diese Arbeit beginnt, bis hin zu jener ersten Messung, mit der sie endet, ermöglicht die beobachtende Kosmologie – über das Prinzip der Interferenz und Standard-Sirenen – anhand einer einzelnen Gravitationswelle, ohne auf die traditionelle Entfernungsmessung zurückzugreifen, letztlich die Expansionsgeschwindigkeit des Universums zu messen.

ID:4137