Um einen Fehler in einem Multimillionen-Dollar-Wissenschaftsprojekt zu beheben, müssen in der Regel weitere Millionen ausgegeben werden. Oder etwas völlig Neues erfinden.
Diesmal nicht.
Wissenschaftler, die an den Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatories (LIGO) arbeiten, haben mit etwas, das man online kaufen kann, eine Lösung für ein anhaltendes technisches Problem gefunden. Eine handelsübliche Wärmebildkamera.
Es klingt fast zu einfach für eine Anlage, die darauf ausgelegt ist, durch kollidierende Schwarze Löcher verursachte Wellen in der Raumzeit zu erkennen. Doch genau das hat ein Team unter der Leitung von Jonathan Richardson von der University of California, Riverside, getan.
Wie die Wärmebildtechnik Spiegelverzerrungen in LIGO korrigiert
LIGO wartet auf die gewalttätigsten Ereignisse im Universum. Wenn zwei Schwarze Löcher zusammenstoßen, senden sie Schockwellen durch die Raumzeit. Diese Gravitationswellen durchdringen die Erde und dehnen und quetschen den Weltraum selbst um mikroskopische Mengen.
In den beiden L-förmigen Anlagen von LIGO in Washington und Louisiana bewegen sich Laserstrahlen durch 2,5 Meilen lange Tunnel. Sie reflektieren so perfekt von Spiegeln, dass sie 99,9997 % des auf sie treffenden Lichts reflektieren. Die Reinheit dieser Spiegel ist atemberaubend. Sie gehören zu den besten optischen Komponenten, die jemals hergestellt wurden.
Aber Perfektion hat ihren Preis. Selbst die besten Spiegel absorbieren einen winzigen Bruchteil der Laserenergie. Diese Energie wird in Wärme umgewandelt.
Die Hitze verformt die Spiegeloberfläche nur um wenige Nanometer. Es handelt sich um eine mikroskopische Verzerrung, die jedoch den Laserstrahl durcheinander bringt. Dies schränkt ein, wie weit LIGO „sehen“ kann. Oder besser gesagt, wie weit es „hören“ kann.
Richardsons Team kombinierte kommerzielle Wärmebildkameras mit Computermodellen. Sie erstellten eine Karte der Wärmeverformungen auf den Spiegeln. Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie einen Automotor durch Scannen seiner Temperatur diagnostizieren. Sie sehen die Hotspots im Äußeren. Sie schließen daraus, was im Inneren passiert.
Mit dieser Karte können Physiker die Rückseite des Spiegels gezielt mit Wärme beaufschlagen. Dies wirkt dem Verziehen entgegen. Der Laserstrahl bleibt klar. Die Sensibilität verbessert sich.
„Es ist keine neue Technologieentwicklung erforderlich. Was für die Lösung eines LIGO-Instrumentenproblems nahezu ungewöhnlich ist.“
Warum dieses Upgrade die Reichweite von LIGO um 33 Millionen Lichtjahre erweitert
Warum ist ein besserer Spiegel wichtig?
Der Raum ist dreidimensional. Wenn Sie Ihre Reichweite in eine Richtung erweitern, wächst Ihr Beobachtungsvolumen exponentiell.
Richardsons Lösung vergrößert die effektive Reichweite von LIGO um rund 33 Millionen Lichtjahre.
Im Vergleich zum Maßstab des Kosmos mag diese Zahl klein erscheinen. Aber in Bezug auf Daten? Es ist riesig. Ein etwas größeres Fenster bedeutet viel mehr erkennbare Ereignisse. Astronomen werden weitere Verschmelzungen von Schwarzen Löchern beobachten. Weitere Kollisionen von Neutronensternen. Das Universum wird lauter.
Dabei handelt es sich nicht nur um einen Patch-Auftrag für vorhandene Geräte. Es ist eine Blaupause für die Zukunft.
Die Technik wird bereits in das Design von Cosmic Explorer integriert. Dieses Observatorium der nächsten Generation strebt die Mitte der 2030er Jahre an. Seine Arme reichen über 25 Meilen – zehnmal länger als die von LIGO.
Wenn der Fix von LIGO für mehr Tiefe sorgt, strebt Cosmic Explorer eine insgesamt zehnfache Steigerung der Empfindlichkeit an. Der Hauptfeind dort ist nicht nur Hitze. Es ist Quantenrauschen. Die grundlegende Unschärfe der Physik, die die Messgenauigkeit einschränkt. Aber die thermischen Verzerrungen in den Griff zu bekommen, ist der erste Schritt.
Ist kommerzielle Technologie besser für empfindliche wissenschaftliche Instrumente?
Es gibt einen Trost im Alltäglichen. Eine Standard-Wärmebildkamera kostet im Vergleich zu den Forschungs- und Entwicklungsbudgets ein paar Cent. Es ist verfügbar. Es ist bewiesen.
Die Abhängigkeit von LIGO von handelsüblicher Hardware stellt das Szenario des High-Tech-Elitismus auf den Kopf. Manchmal ist das beste Werkzeug nicht das, das im Labor von Grund auf neu entwickelt wurde. Es ist das, das bereits auf einem Regal steht.
Der Fix ist fertig. Es wird Teil des nächsten Upgrade-Zyklus von LIGO sein. Dann geht es in den Cosmic Explorer.
Die Spiegel sind noch warm. Die Daten gehen immer noch ein. Aber jetzt wissen wir, wo wir nach der Hitze suchen müssen. Und sobald Sie die Verzerrung sehen, können Sie sie beheben.
Was eine Frage offen lässt. Welche anderen kosmischen Geheimnisse verbergen sich hinter thermischem Rauschen?
