Besuch beim Gravitationswellendetektor Virgo

Im Rahmen unserer WE Heraeus-Sommerschule für Wissenschaftler und Lehrer letzte Woche in Florenz waren wir nicht nur zu Besuch bei Galileo Galilei, sondern auch bei dem interferometrischen Gravitationswellendetektor Virgo in der Nähe von Pisa. Hier ein paar Eindrücke.

Neben ein paar Hinweisschildern sind das erste, was man von Virgo sieht, längliche blaue bedachte Strukturen in der Landschaft. An denen fährt man dann erst einmal ein paar Minuten vorbei:

Gravitationswellendetektor Virgo aus der Ferne: eine blaue Röhre in der LandschaftDas ist einer der beiden drei Kilometer langen Arme des Interferometers, in denen das Laserlicht hin- und herläuft. Virgo wird derzeit gerade auf den Messbetrieb als Advanced Virgo vorbereitet – den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen hatte man aufgrund der Verzögerung im Vergleich mit Advanced LIGO ja leider verpasst.  Da stellt sich natürlich die Frage: wenn der Detektor also so gut wie im laufenden Betrieb ist, was kann man da überhaupt sehen?

Nicht die Kernstücke: die Spiegel, die in Betrieb befindlichen Aufhängungen, die Laser, die Optik. Aber immerhin etwas, und zwar insbesondere die Größenverhältnisse.

Der Gravitationswellendetektor Virgo im Überblick

Für einen Überblick sind wir zunächst auf das Dach eines der Hilfsgebäude gestiegen (Stromversorgung, soweit ich sehen konnte); hier erklärt uns Franco Frasconi, der uns herumgeführt hat: Führung beim Gravitationswellendetektor VirgoAuf dem Gelände selbst sieht man natürlich bereits das grundlegende Layout. Mit meiner Kamera (diesmal kein Weitwinkel dabei) konnte ich allerdings immer nur Ausschnitte festhalten und verwende daher alternativ ein Public-Domain-Bild von Wikimedia Commons: Luftaufnahme des Gravitationswellendetektors Virgo Credit: Virgo Collaboration (Public Domain via Wikimedia Commos)

Deutlich erkennbar sind die langen, L-förmig angeordneten Röhren, in denen die Laserstrahlen entlang laufen und am Schnittpunkt die Haupthalle. Die kürzere, parallele Röhre, die mit der Hauptröhre im Bild ein Stück weit nach links oben läuft, ist der “input mode cleaner”, also die Vorrichtung, die das Laserlicht “säubert”, bevor es in den Detektor gelangt – mit genau definierter Wellenlänge und Polarisation. Links oben nahe des Bildrands ist die Mittelstation erkennbar, die wir später noch besucht haben. Unten links im Vordergrund das Gebäude, das uns bei unserem Besuch als Aussichtspunkt diente. Drum herum erkennt man, dass der Gravitationswellendetektor Virgo ein einem ländlichen Gebiet liegt, umgeben von Feldern.

Hier ist eine vereinfachte Darstellung der Anordnung der wichtigsten Elemente von Virgo. Der Gravitationswellendetektor Virgo ist ein interferometrischer Detektor; das Funktionsprinzip solcher Detektoren hatte ich ja bereits in diesem Beitrag erklärt. Die Abbildung stammt aus der Beschreibung des Detektors in Virgo Collaboration 2015; ich habe ihr per Hand die grauen Ellipsen hinzugefügt, die zeigen sollen, welche der Elemente meines (unvollkommenen) Wissens nach jeweils in einem eigenen Vakuumtank untergebracht sind: Optisches Layout für den Gravitationswellendetektor Virgo

 

Eine Reihe dieser Vakuumtanks konnten wir, nachdem wir in den Reinraum-Bereich der Haupthalle gegangen waren (Plastik-Schuhschützer waren Pflicht), tatsächlich sehen. Hier ein Blick von einer oberen Plattform: Blick auf die zentralen Vakuumtanks des Gravitationswellendetektors VirgoDer Bürostuhl unten rechts gibt einem einen Eindruck von den Größenverhältnissen. Im Vergleich zu dem obigen Diagramm müsste das, was man da sieht, folgendes sein: Vakuumtanks mit seismischen Aufhängungen für, von rechts nach links, die beiden inneren Spiegel der Fabry-Perot-Arme (im Diagramm IM), dann der Strahlteiler (BS) und dann der Signal-Recycling-Spiegel (SRM). Von dem deutlich kleineren Vakuumtank, der links unterhalb der Mitte ins Bild ragt, nehme ich an, dass er den Output Mode Cleaner (“Säubern” des Laserlichts, das den Detektor verlässt) und die Photodiode (B1) enthält.

Hier ein (handgehaltener, daher etwas wackliger) Schwenk durch die Halle:

Beeindruckend ist an diesen Tanks ihre Höhe – diese Dinger gehen ja noch deutlich tiefer als das, was man da an Fußboden-Plattformen sieht. Dahinter steht eine Besonderheit, die ich in Gravitationswellen-Nachweistechnik: Erschütterte Detektoren bereits geschildert hatte: der Gravitationswellendetektor Virgo ist so ausgelegt, dass Erschütterungen des Erdbodens z.B. durch seismische Störungen besonders gut ausgeglichen werden und der Detektor daher auch bei niedrigeren Gravitationswellenfrequenzen messen kann als z.B. die LIGO-Detektoren.

Seismische Störungen ausgleichen: Superdämpfer am Gravitationswellendetektor VirgoWichtigstes Werkzeug sind dabei die “Superdämpfer”, die “superattenuators”. Rechts ist, wie in dem zitierten Blogbeitrag (wörtlich) bereits geschrieben, eine Schemazeichnung eines der Superdämpfer zu sehen: Eine große Aufhängung als invertiertes Pendel (Gelenk unten, schwingungsfähiger Stab führt bis zum oberen Ende) und darunter aufgehängt weitere Stufen, insgesamt sind es damit acht, in einem Vakuumturm von etwas mehr als 10 Meter Höhe.

Beschleunigungsmesser, mehr als ein Dutzend Positionssensoren und mehr als ein Dutzend Kontrollmagnete halten die Schwingungen der Konstruktion an mehreren Stufen der Kette aktiv klein.

In die Vakuumtürme konnten wir natürlich nicht hineinsehen, aber Teile der Superdämpfer konnten wir direkt in Augenschein nehmen.

Die Halle auf halbem Wege

Insbesondere konnten wir eine Halle besuchen, die auf halber Länge des Westarmes über der Interferometerröhre steht, beim Bau des Gravitationswellendetektors eine Rolle gespielt hat und seit Fertigstellung des Detektors für Testaufbauten genutzt wird. Dort stand auch eine kürzere Version des invertierten Pendels, das wichtiger Teil der Superdämpfer ist: die Aufhängung für die Pendelkette, an deren unterem Ende Spiegel, Strahlteiler oder andere optische Elemente hängen. Invertiertes Pendel heißt, dass die Aufhängung mit ihren drei Beinen um die drei Füße, die drei Aufsatzpunkte herum schwingen kann. Hier ein Bild der Test-Aufhängung, ohne daranhängende Pendel, die in der Halle stand:  fIMG_4586Deutlich sichtbar sind innerhalb des Gerüstes die drei zylindrischen Beine, auf denen die Aufhängung angebracht ist, die etwas über das Gerüst hinausragt. In diesem kurzen Video stoße ich das eine Bein etwas an, und man sieht die Aufhängung ein wenig schwingen:

Im eigentlichen Einsatz hängen an der Aufhängung mehrere Pendelstufen. Auch verschiedene Exemplare dieser Pendelstufen haben wir gesehen. Einige davon lagen, teilweise noch verpackt, in der Halle – als Ersatzteil oder als Teil, das noch eingebaut werden muss:

fIMG_4547Im Vorraum war eine solche Pendelstufe auf einer Halterung ausgestellt. Diese Stufen haben eine Reihe von Verkabelungen um interne Schwingungen der Stufe bei geeigneten Frequenzen zu halten sowie, auf der Unterseite, Blattfedern, die Schwingungen in der senkrechten (Aufhängungsrichtung) dämpfen. Hier zupft Niccolo’ Buccantini an den diversen Saiten und Federn; der jeweilige Ton gibt Hinweise auf die Eigenfrequenz:

 

Lange, lange Rohre

Letztes Anschauungselement war die schiere Länge der Rohre – diesmal nicht beim Vorbeifahren mit dem Bus, sondern auch im Tunnel, der sich perspektivisch nach hinten so verengt, als würde man im Kunstunterricht mithilfe von Fluchtlinien eine unendlich lange Version davon zeichnen. Hier stehe ich zum Größenvergleich neben dem Rohr des Westarmes, hinter der Halle auf halber Höher:fIMG_4604Die Röhre rechts von mir hat noch eine äußere Schutzhülle. Der innere Teil, die eigentliche Vakuumkammer, dürfte so aussehen wie das Ansichtsexemplar, das draußen auf dem Gelände steht: fIMG_4580Insgesamt war der Besuch beim Gravitationswellendetektor Virgo ein echtes Erlebnis. Sobald Virgo in Funktion ist, sollten die Astrophysiker mithilfe von dann drei etwa gleich empfindlichen Detektoren – LIGO Hanford, LIGO Livingston und eben Virgo – in der Lage sein, Gravitationswellenquellen am Himmel einigermaßen genau zu lokalisieren. Dann beginnen die Querverbindungen der Gravitationswellenastronomie zur herkömmlichen Astronomie – mit Ereignissen, für die man sowohl die Daten der Gravitationswellendetektoren als auch herkömmliche astronomische Beobachtungsdaten heranziehen kann.

 

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

19 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Zufällig habe ich mir vor kurzem Virgo-Webseite angeschaut. Mich hat gleich gewundert, dass die Gegend so aktiv landwirtschaftlich betrieben wird. Gibt es mit den Bauern so was wie eine Art Abmachung, wann sie arbeiten dürfen und wann sie sich lieber von ihren Feldern fernhalten sollen? Mit LIGO ist es ja okay – die Detektoren sind in der Wüste. Aber bestimmt betrifft das Problem des Lärms auch GEO600.

  2. Beeindruckend viel Hardware ist da installiert. Am wenigsten verstehe ich, warum die Hauptrohre einen solch grossen Durchmesser haben. 1 Meter Durchmesser oder weniger sollten doch auch genügen.

    • Nach etwas Googlen sieht es so aus, dass die sich die Option offenhalten wollten, da 3 Interferometerstrahlen nebeneinander zu haben. (So etwas ähnliches hatte LIGO ja auch gemacht, mit einem zusätzlichn 2 km-Interferometer in Hanford. Hat sich aber offenbar nicht bewährt.) Aber mehr als rund 1 m Innendurchmesser haben die Vakuumröhren trotzdem nicht; alles darumherum ist offenbar Isolation.

  3. @Markus Pössel
    Warum ersuchen Sie als Gastgeber Ihre Kommentar-Gäste gegebenenfalls nicht einfach ganz manierlich darum, eine Diskussion allmählich zum Abschluss zu bringen, anstatt ihnen, wie hier, kurzerhand das Wort abzuschneiden? Nach meinen Erfahrungen auf Nachbarblogs wurde einem solchen Wunsch dann noch stets entsprochen.

    • Im wesentlichen, weil höfliches Nachsuchen z.B. darum, beim Thema zu bleiben, sih kurz zu fassen und derlei mehr meiner bisherigen Erfahrung nach ziemlich erfolglos geblieben ist.

      Und um Leser, die die Diskussion nicht verfolgt haben, nicht irrezuführen, sollte man dazu sagen: Es ging um einen Beitrag mit insgesamt 423 Kommentaren, bei dem ich nach sieben Monaten – und damit nach deutlich längerer Zeit als z.B. üblicherweise bei den Webseiten der größeren Medien – und erheblicher Entfernung vom Ausgangsthema die Kommentarfunktion abgestellt hatte.

      • @Markus Pössel

        »… meiner bisherigen Erfahrung nach ziemlich erfolglos geblieben ist.«

        Erfahrung mit wem? Begegnungen der “unorthodoxen” Art, die damit vermutlich gemeint sind, sollten Sie nicht unbedingt als Normalfall unterstellen. Für mich selbst (sowie diverse jeweils beteiligte Diskutanten) kann ich nur konstatieren, umgänglich geäusserten Aufforderungen zur Beendigung einer bestimmten Diskussion noch immer so entsprochen zu haben, dass sich dabei niemand zu weiteren moderierenden Schritten genötigt sehen musste.

        Erinnern kann ich mich, dass Stephan Schleim einmal eine ausufernde Debatte nach ca. 500 Kommentaren etwas entnervt und abrupt geschlossen hat — allerdings nicht ohne den verbliebenen Teilnehmern die Möglichkeit zu einem Schlusswort einzuräumen. So ein Schlusswort nehme ich mir hier jetzt auch mal heraus, wenngleich ich das lieber als Entgegenung am dazu passenden Ort getan hätte,

        Dass das Standardargument zur geodätischen Abweichung (die vom gedanklichen Ansatz her immerhin etwas mit Bewegung freier Teilchen zu tun hat) nicht ganz koscher ist, lässt sich im Fall Ihrer Beispiel-GW zumindest argwöhnen, wenn diese auf die Form einer pp-wave transformiert wird (was ich ja mehr oder minder skizzenhaft vorexerziert hatte). Damit wird einerseits gerade ein proper reference frame der für das Standardargument verlangten Art explizit konstruiert, und beispielsweise längs der t-Linie eines am Koord.ursprung ruhend plazierten Teilchens kommt die “Gezeitenkraft” dann auch wunschgemäss heraus. Doch andererseits ist auch recht leicht einzusehen, dass mit diesem Frame eine Zerlegung η + h in Hintergrund und Störung korrespondiert, bei der die Störung h, aus der sozusagen die Kraft geschöpft wird, gar keine Lösung der linearis. Feldgl. mehr darstellt. Und das ist mehr als nur ein belangloser Schönheitsfehler.

        Zu allen Zeitaltern haben glaubenswillige Menschen in fester Überzeugung wundersame Zeichen am Himmel wahrzunehmen vermeint, die letztlich immer nur eine Projektion ihrer eigenen suggestiven Wünsche und Vorstellungen waren. Angesichts der bestehenden logischen wie empirischen Ungereimtheiten bin ich momentan mehr denn je unter dem Eindruck, dass sich GW150914 ganz tadellos in diese fragwürdige Tradition einreiht.

  4. Markus Pössel schrieb (24. September 2016 @ 10:56):
    > Zur Frage von Koordinaten und koordinatenfreien Darstellungen: Dazu mache ich in Zukunft mal einen gesonderten Blogbeitrag

    Das wäre (mir jedenfalls) sehr willkommen;
    besonders, falls man sich dazu (in Kommentaren) unter Verwendung der für koordinatenfreie Darstellungen üblichen LaTeX-Symbole und -Befehle äußern könnte;
    und ganz besonders, falls dazu auch eine Kommentarvorschau bereitgestellt würde, die sich zur Begutachtung der Darstellung solcher LaTeX-Symbole und -Befehle eignet, um noch vor dem Absenden des Kommentars ggf. Korrekturen oder Anpassungen vorzunehmen.

    > Man betrachtet zwei Geodäten (Testmassen) und schaut, wie deren Abstand sich ändert. Das entspricht direkt einer der Definitionen von Krümmung

    Auch diesen Betrachtungen und deren (eventuellen) Zusammenhang mit Krümmung könnte man gut und gerne mal einen gesonderten SciLogs-Beitrag widmen;
    und dabei u.a. die Fälle diskutieren

    – dass zwei (geeignete, “freie”) Beteiligte/Testobjekte stets konstante Entfernung (also bestimmten Abstand) voneinander hatten; z.B. “Erde und Mond”, bzw.

    – dass zwei (geeignete, “freie”) Beteiligte/Testobjekte windschief aneinander vorbeizippten (etwa so).

    > Wenn man ganz sicher gehen will, dann rechnet man sowieso aus, wie sich Licht in solch einer Raumzeit zwischen den Endpunkten bewegt; dabei kommen dann bei der Rückkehr am Strahlteiler die Koinzidenzen oder eben Phasenverschiebungen heraus, die man letztlich misst.

    Wenn man zunächst und vor allem die Geometrie der Raumzeit messen und (Koordinaten-frei) darstellen will, in der Versuche stattfanden, bei denen (Ping-)Koinzidenzen bzw. Reihenfolgen von Signalfronten beobachtet wurden,
    dann rechnet man die (Verhältnisse der) Pingdauern der Beteiligten aus;
    und letztlich (die Verhältnisse von) Lorentzschen Abstände(n) zwischen den betrachteten (Koinzidenz-)Ereignissen.

    • LaTeX-Markup sollte jetzt schon seit einer Weile gehen. Schaun wir mal, ob es auch in den Kommentaren klappt: [latex]\partial_{\mu} x^{\nu} = \delta_{\mu}^{\nu}[/latex]

      Vorschaufunktion: Habe ich als Wunsch rückgemeldet; Entscheidungen, was wann und wie (und überhaupt) umgesetzt wird werden aber von Spektrum zentral für die SciLogs getroffen. Mehr als da Wünsche anmelden kann ich auchn icht.

        • Markus Pössel schrieb (3. Oktober 2016 @ 16:21, 3. Oktober 2016 @ 16:22):
          > […] Vorschaufunktion: Habe ich als Wunsch rückgemeldet; […]
          > LaTeX-Markup in den Kommentaren […] Melde ich dann mal als Wunsch an.

          Danke für diese öffentlichen auffindbaren Rückmeldungen.
          (Auch wenn diese nun erst Jahre nach einer nur an mich gerichteten nicht-öffentlichen Rückmeldung kommen.)

          > Entscheidungen, was[,] wann und wie (und überhaupt) umgesetzt wird[,] werden aber von Spektrum zentral für die SciLogs getroffen

          Immerhin ist hiermit (zumindest bis auf Weiteres) dokumentiert, dass die betreffende(n) Entscheidung(en) dann ggf. entweder entsprechend oder ansonsten eben gerade entgegen dem Wunsch eines (ansonsten) hochwohlpriviligiert-souveränen, Gesichts-bekannten SciLoggers getroffen worden wären;
          und nicht lediglich Einbildungen bloßer (und zumal womöglich nur weniger) gemein-quasianonymer Kommentatoren.

          > Mehr als da Wünsche anmelden[,] kann ich auch [n]icht.

          Über die hiermit erfolgte Veröffentlichung hinaus Wünsche/Anträge/Begehren noch spezifischer „da anmelden“ zu wollen, oder zu müssen, wäre doch ziemlich kleinkariert, mittelalterlich und nebensächlich.
          Etwa so, wie einen (ganz unenzyklopädisch-partikulären) „(Haupt-)Ort einer Publikation“ zu vermuten …

          p.s.
          Die in meinen vorausgegangenen Kommentar (26. September 2016 @ 16:03) gemachten Bemerkungen und Vorschläge zur (Physik bzw. Geometrie betreffenden) Sache sind (und bleiben, hoffentlich) ebenso öffentlich und auffindbar.

          p.p.s. — Copy-n-paste-ready LaTeX rendering test suite:

          “$ \LaTeX $” is rendered as: $\LaTeX$.
          “$ “$ \LaTeX $ “$” is rendered as: $$\LaTeX$$.
          “$latex \LaTeX $” is rendered as: $latex \LaTeX$.
          “[latex \LaTeX ]” is rendered as: [latex] \LaTeX [/latex].

          • Frank Wappler schrieb (4. Oktober 2016 @ 12:13):
            > p.p.s. — Copy-n-paste-ready LaTeX rendering test suite: […]
            Korrigiert:

            “$ \LaTeX $” is rendered as: $\LaTeX$.
            “$ “$ \LaTeX $ “$” is rendered as: $$\LaTeX$$.
            “$latex \LaTeX $” is rendered as: $latex \LaTeX$.
            “[latex ] \LaTeX [/latex ] ” is rendered as: [latex] \LaTeX [/latex].

          • Ernsthaft? Für solch eine Angelegenheit einen so langen Kommentar mit Zitaten, Spekulationen, allgemeinen Ausführungen?

            Weniger dramatisch-romantisch: SciLogs-Autoren machen Verbesserungsvorschläge über ein internes Forum; da gibt’s eine Kategorie “Wünsche”; da habe ich die Anfrage eingestellt.

    • N.B. Nach den von resp. bei Markus A. Dahlem gesammelten Erfahrungen sind die Seiten, wo das LaTeX-Feature aktiviert ist, in der Page Source am HTML Kommentar

      <!– MathJax Latex Plugin installed –>

      erkennbar. Das Plugin konnte nur durch einen Blogartikel selbst (nicht erst nachträglich durch Kommentare) geladen werden und ist offenbar disabled by default.

      • OK – ich hatte das Plugin in Zukunft sowieso stärker nutzen wollen (auch wenn in der Pipeline noch eine Reihe von Artikeln sind, bei denen die Formeln als Grafikdateien eingebaut sind). Ich schaue mal, dass ich in Zukunft immer irgendwo eine Formel einbaue.

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