In der PowerPoint-Präsentation geht es um laser-interferometrische Gravitationswellendetektoren:
Mehrfach-/Kaskadenpendelaufhängung, Fluktuations-Dissipations-Theorem und Monolithische Aufhängungen.
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Proseminar
Laser-interferometrische
Gravitationswellendetektoren:
Teil 2, Mechanik
Von
Thomas Hildebrandt
3.Semester
FüBa Physik/ Sport
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Michelson- Interferometer:
Das Interferenzexperiment,
Wegbereiter für nachfolgende Experimente
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Wir gehen zurück in das 19. Jahrhundert. Die Wissenschaftler wussten, das Licht aus Wellen
besteht. Das reichte ihnen nicht und somit fingen sie an, das Licht auf ihre Eigenschaften
zu untersuchen.
Aufbau: - Lichtquelle damals Natriumdampflampe
- Strahlteiler gleich halbdurchlässiger Spiegel
- Zwei Spiegel
- Detektor damals Schirm Interferenzstreifen
Funktion: - Kohärentes Licht wird von der Lichtquelle ausgesendet
- Strahlteiler teilt das Licht auf und breitet es zu den Spiegeln hin aus
- Am Spiegel wird der Strahl zum Strahlteiler reflektiert, überlagert sich dort und
gelangt zum Detektor
Ergebnis: Änderung der Armlänge oder des Mediums führte zu unterschiedlichen
Interferenzerscheinungen auf dem Schirm
Destruktiv und Konstruktiv
Dieses Ergebnis bzw. dieser Versuchsaufbau war nun Wegbereiter für weiterfolgende
Experimente, wie eines der wichtigsten Experimente in der Physik: Das Michelson-Morley-
Experiment
Michelson-Morley-Experiment
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Abb.
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Alle anderen Wellen waren stets an ein Medium gebunden (z. B.: Schall breitet
sich in Luft aus, Wasserwellen im Wasser) Daraus kam die Überlegung, ob sich
Licht analog zu Wasser- und Schallwellen ausbreitet. Hypothetische Frage: Gibt es
den sogenannten LICHTÄTHER?
Durchführung: Geschwindigkeit des Lichts wurde einmal in Bewegungsrichtung
und einmal senkrecht dazu gemessen (Hier: Anordnung wurde um 90° bewegt)
Ergebnis: Die Bewegung gegen den ,,Äther" hatte/ hat keinen Einfluss auf die
Geschwindigkeit des Lichts.
Bedeutendste Experiment in der Geschichte der Physik (Experimentum Crucis)
Wie wurde das relativ genau Ergebnis möglich? Durch Isolation!
Versuchten bei der Messung die Erschütterungen gering wie möglich zu halten, da
die Messapparatur sehr empfindlich reagierte.
Umsetzung: Apparatur wurde auf eine massive Steinplatte aufgebaut sollte
Erschütterungen reduzieren
Diese Steinplatte schwamm auf einen Quecksilber gefüllten Trog, um diese
Apparatur leicht drehbar zu machen. Somit hat man sich schon damals Gedanken
gemacht, wie man Störungen reduzieren kann.
Im Laufe der Zeit wurde die Isolation/ die Reduzierung von Rauschquellen immer
wichtiger.
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Inhaltsverzeichnis
· Einleitung
· Allgemeines zu Laser-interferometrischen Gravitationswellendetektoren
· Mehrfach-/ Kaskadenpendelaufhängung:
Realisierung von freifallenden Testmassen
· Fluktuations-Dissipations-Theorem
· Monolithische Aufhängungen:
Die Antwort auf das Fluktuations-Dissipations-Theorem?
· Zukunftsperspektiven
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Funktionsweise von Laser-
interferometrischen
Gravitationswellendetektoren
· Funktionsweise wie
Michelson-
Interferometer
· Auswirkung einer
Gravitationswelle:
· Änderung der Armlänge
Änderung der
Phasenbeziehung
Intensitätsschwankung
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Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die den Raum durchqueren
und ihn dabei stauchen und strecken. Gravitationswellen wurden von
Albert Einstein in der allgemeinen Relativitätstheorie theoretisch
vorhergesagt, konnten aber bislang nicht direkt experimentell
nachgewiesen werden.
Die Messung solcher Wellen ist sehr schwierig, da die Längenkontraktionen
sehr gering sind. Ebenso erschweren Störquellen die Detektion solcher
Wellen. Eine Detektion von GW könnte selbst Rückschlüsse zum Urknall
bringen.
Wie soll nun eine GW detektiert werden?
GW ändert BEIDE Armlängen. Einer wird gestaucht und der andere
gestreckt. Änderung der Phasenbez. Somit Intensitätsschwankungen!
Heutige Detektoren:
Normalerweise destruktiv= ohne GW
Konstruktiv bei Anwesenheit einer GW
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Luftbildaufnahme von GEO600
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- Deutsch-Britisches Projekt unter der Leitung von Danzmann
- 20 km südlich von Hannover in Sarstedt
GEO600 gehört zu einem Internationalen GW-Detektor Netzwerk.
Andere GW-Detektoren sind z. B. LIGO (USA), VIRGO(Italien),
KAGRA(Japan).
Was ist auf dem Bild zu sehen:
- Straßen= Verkehr
- Acker (Landbetrieb)
- Strommasten
Diese ganzen Sachen können Rauschquellen hervorrufen. Zum
Beispiel entsteht durch Landarbeit seismisches Rauschen, als
Bodenbewegung.
Das ist jedoch nicht die einzige Rauschquelle, die die Messungen
irritieren kann.
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Rauschquellen
· Seismisches Rauschen
· Erschütterungen bzw. Bewegungen des Erdbodens
· Thermisches Rauschen
· Brownsche Bewegung der Moleküle eines Körpers
· In ferner Zukunft:
,,Gravity gradient noise"/
Gravitationsgradientenrauschen
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Seismisches Rauschen:
Sind Erschütterungen bzw. Bewegungen des Erdbodens
Natürliche Quellen:
- Witterungseinflüsse (Wind kann auf Boden einwirken)
- Meeresrauschen (auf Küste auffallende Wellen und Brandung)
Künstliche Quellen (von Mensch und Technik hervorgerufen):
- Erschütterung durch Maschinen (hier Vibration der Vakuumpumpe),
Straßen-& Schienenverkehr, technische Geräte
Thermisches Rauschen:
- Beruhen auf Brownsche Bewegung der Moleküle eines Körpers
- Dieses Rauschen ist Temperaturabhängig
- Da sich 0K (entspricht -273,15 C°) nicht erreichen lassen, liegt dieses
Rauschen immer vor Molekularbewegung gleich Null
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Innenbild eines Detektors:
GEO600
Reduzierung von
Rauschquellen:
· Vakuumtanks/
Ultra-High-Vakuum
System (UHV)
· Freifallende Testmassen
(=Spiegel)
· Indirekt: Reinraum
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Was unterscheidet die heutigen Detektoren von damals?
- Messungen müssen immer präziser werden, da Gravitationswellen
nur schwach gemessen werden können dies wird durch eine
enorme Armverlängerung erreicht
- Warum Armlänge größer? Da die Änderungen der Arme durch GW,
bei längeren Armen dementsprechend größer ausfällt.
- Dazu werden alle möglichen Vorkehrungen getroffen, um die
Rauschquellen bzw. Störeinflüsse zu isolieren und zu reduzieren
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- Thomas Hildebrandt (Author), 2014, PowerPoint-Präsentation Mechanik. Laser-interferometrische Gravitationswellendetektoren, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/298221
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