KAGRA ist das neueste Gravitationswellen-Teleskop, das auf den rauscharmen Mephisto-Laser setzt

Die Herausforderung

Das Large-scale Cryogenic Gravitational Wave Telescope (KAGRA) in Kamioka, Japan, ist das neueste Gravitationswellenobservatorium, das 2020 in Betrieb genommen wird. Wie LIGO und Virgo ist auch KAGRA ein laserbasiertes Michelson-Interferometer. Wenn die Schwerkraftwellen den Ort durchqueren, verursachen sie kleine Veränderungen in der Länge der beiden Interferometerarme. Aber auch wenn die Arme von KAGRA 3 km lang sind, kann eine große Gravitationswelle eine Längenänderung verursachen, die weniger als ein Tausendstel des Durchmessers eines Protons beträgt, d. h. 10^–19 Meter. Daher ist das Signal-Rausch-Verhältnis eine große Herausforderung bei der Erkennung dieser Wellen.

Die Lösung

KAGRA ist das erste große Gravitationswellen-Teleskop, das sich unter der Erde befindet, wodurch seismisches Rauschen und das Rauschen des Gravitationsgradienten reduziert werden. Es ist auch das Erste, der bei kryogenen Temperaturen (20 Kelvin) arbeitet, um thermisches Rauschen zu unterdrücken. Dies machte die Verwendung von Testmassen (Spiegeln) aus Saphir erforderlich, da Saphir bei dieser niedrigen Temperatur eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Transparenz für die Laserwellenlänge von 1064 nm aufweist.

Der Coherent Mephisto wird als Laseroszillator verwendet, und zwar aus demselben Grund, aus dem er auch bei LIGO und Virgo zum Einsatz kommt: Er ist der Laser mit dem bei weitem geringsten Rauschen, sowohl was die Amplitude als auch die Frequenz betrifft. Das liegt daran, dass er auf einem nicht-planaren Ringoszillator (NPRO) basiert, bei dem ein einziger Kristall den gesamten Laserresonator bildet. Dies sorgt für eine intrinsisch stabile Leistung, die durch den Einsatz einer speziell entwickelten Elektronik weiter verbessert wird. Der rauscharme 1064-nm-Ausgang von Mephisto wird dann von einem Festkörperverstärker auf 60 Watt Leistung verstärkt und Phasen- und Amplitudenrauschen werden weiter unterdrückt. Daraus ergibt sich ein zirkulierender Leistungspegel in den Interferometerarmen von ~0,4 Megawatt.

KAGRA wird unter der Schirmherrschaft des Tokyo Institute of Technology betrieben und arbeitet auch mit LIGO und Virgo zusammen, um bessere Daten und mehr Richtungsinformationen zu liefern.

Das Ergebnis

Sobald KAGRA seine geplante Empfindlichkeit erreicht hat, werden zahlreiche Gravitationswellenereignisse aufgezeichnet werden. Ingenieure und Wissenschaftler überlegen bereits, wie sie die unglaubliche Leistung dieser Interferometer noch weiter verbessern können! Ein Teil dieser Arbeit wird in den Labors des Tokyo Institute of Technology durchgeführt, das mit KAGRA verbunden ist. Hier arbeiten Professor Kentaro Somiya und Kollegen an der Rauschunterdrückung. Somiya erklärt: „Dank der Reduzierung des thermischen Rauschens in KAGRA werden die Daten bald hauptsächlich durch das Quantenrauschen im Lasersystem begrenzt sein – die Unsicherheit der Laseramplitude und -phase an der Grenze der Quantenphysik. Wir entwickeln mehrere neuartige Methoden zur Reduzierung dieses Quantenrauschens. Diese Arbeit wäre ohne das natürlich niedrige Rauschen des Mephisto-Oszillators nicht möglich.“ Das Ziel ist es, diese Techniken in KAGRA+ und anderen Gravitationswellen-Teleskopen der nächsten Generation zu nutzen. Somiya möchte seine innovative Technik zunächst in GEO-HF, einem 600 m großen Gravitationswellendetektor in Deutschland, implementieren, um dessen Empfindlichkeit im kHz-Bereich zu verbessern und so einen klaren Abdruck der durch die Verschmelzung von Neutronensternen verursachten Raum-Zeit-Kräuselungen beobachten zu können.

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