29.01.2018
Squeezed-light source developed at the Albert Einstein Institute to make Virgo even more sensitive to gravitational waves
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A team of researchers from the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) in Hannover and from the Institute for Gravitational Physics at Leibniz Universität Hannover has developed an advanced squeezed-light source for the gravitational-wave detector Virgo near Pisa. Now, the Hannover scientists have delivered the setup, installed it, and handed it over to their Virgo colleagues. Beginning in autumn 2018 Virgo will use the squeezed-light source to listen to Einstein’s gravitational waves together with the worldwide network of detectors with higher sensitivity than ever before.
GEO600 – think tank of gravitational-wave research
“The German-British gravitational-wave detector GEO600 near Hannover has been routinely using a squeezed-light source since 2010. It has increased the part of the Universe that GEO600 listens to by a factor of up to four,” says Prof. Karsten Danzmann, director at the AEI Hannover and director of the Institute for Gravitational Physics at Leibniz Universität Hannover. “The development and perfection of the cutting-edge technology is another successful chapter in the history of GEO600 as think thank of gravitational-wave research.”
Preparations for the next stage of gravitational-wave astronomy
Both US LIGO instruments and the Virgo detector based in Tuscany are currently being upgraded and improved in preparation of the next joint observation run “O3” which is planned to commence in autumn 2018.
O3 is expected to usher in full-scale gravitational-wave astronomy through a large number of further gravitational-wave detections from merging binary black holes and additional signals from merging neutron star pairs.
For this purpose, Virgo has now received a valuable addition from Hannover: A setup called a squeezed-light source is expected to significantly increase Virgo’s sensitivity from the beginning of O3. The custom-made device is a permanent loan of the AEI to Virgo and is worth about 400,000 Euros.
Fingerprints of quantum mechanics
The sensitivity of all interferometric gravitational-wave detectors (LIGO, Virgo, and GEO600) to the ripples of space-time from large cosmic events is fundamentally limited by quantum mechanical effects. They cause a background noise which overlaps with the gravitational-wave signal that is measured with laser light.
“This background noise is present even in complete darkness and can never be entirely removed. But we can change its properties – we call that squeezing – such that it interferes less with the gravitational-wave measurement,” say Dr. Henning Vahlbruch and Dr. Moritz Mehmet from AEI Hannover. They have built and the squeezed-light source and installed it at the Virgo detector. “In a sense, our device creates a kind of darkness that is better than nature usually allows for. With this improved background noise we can increase the detectors’ sensitivity.”
Technology for the future of gravitational-wave astronomy
The sensitivity of all interferometric gravitational-wave detectors can only be further increased in the future through the use of similar squeezed-light sources. Planned third-generation detectors like the Einstein Telescope will also depend on this technology.
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Hannoveraner Spitzentechnologie für Gravitationswellen-Detektor Virgo in Italien
Eine am Albert-Einstein-Institut entwickelte Quetschlichtquelle soll Virgo zukünftig noch empfindlicher ins All lauschen lassen
GEO600: Ideenschmiede der weltweiten Gravitationswellen-Forschungsgemeinschaft
„Beim deutsch-britischen Gravitationswellen-Detektor GEO600 nahe Hannover kommt seit 2010 eine Quetschlichtquelle routinemäßig zum Einsatz. Sie hat das von GEO600 belauschte Universum bis zu viermal vergrößert“, sagt Prof. Dr. Karsten Danzmann, Direktor am AEI Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Die Entwicklung und Perfektion dieser Spitzentechnologie ist ein weiteres erfolgreiches Kapitel in der Geschichte von GEO600 als Ideenschmiede der weltweiten Gravitationswellen-Forschungsgemeinschaft.“
Vorbereitungen für die nächste Etappe der Gravitationswellen-Astronomie
Die beiden US-amerikanischen LIGO-Instrumente und der Virgo-Detektor in der Toskana werden derzeit in Vorbereitung auf den nächsten gemeinsamen Beobachtungslauf „O3“, der im Herbst 2018 beginnen soll, weiter ausgebaut und verbessert.
Mit O3 soll die kürzlich begonnene Gravitationswellen-Astronomie durchstarten: Die weltweite Forschergemeinschaft erwartet eine Vielzahl weiterer Gravitationswellensignale von verschmelzenden Schwarzen Löchern und erneute Nachweise verschmelzender Neutronensterne.
Virgo erhielt dafür nun eine wertvolle Ergänzung aus Hannover: Eine sogenannte Quetschlichtquelle soll die Empfindlichkeit von Virgo mit dem Beginn von O3 deutlich verbessern. Der maßgeschneiderte Aufbau ist eine Dauerleihgabe des AEI an Virgo und hat einen Wert von rund 400.000 Euro.
Fingerabdrücke der Quantenmechanik
In allen interferometrischen Gravitationswellen-Detektoren (LIGO, Virgo und GEO600) ist die Empfindlichkeit für die Kräuselungen der Raumzeit, die von kosmischen Großereignissen zeugen, von quantenmechanischen Effekten grundlegend begrenzt. Diese rufen ein Hintergrundrauschen hervor, welches das mittels Laserlicht zu messende Gravitationswellensignal überlagert.
„Dieses Hintergrundrauschen tritt selbst bei vollkommener Dunkelheit auf und lässt sich niemals vollkommen beseitigen. Wir können es aber so verändern – wir nennen das dann quetschen –, dass es die Gravitationswellen-Messung weniger stört“, sagen Dr. Henning Vahlbruch und Dr. Moritz Mehmet vom AEI Hannover, die die Quetschtlichtquelle gebaut und am Virgo-Detektor in Betrieb genommen haben. „Unser Aufbau erzeugt gewissermaßen eine Dunkelheit, die besser ist als die Natur normalerweise erlaubt – mit diesem veränderten Rauschen steigern wir die Empfindlichkeit der Detektoren.“
Zukunftstechnologie Quetschlicht
Die Empfindlichkeit aller interferometrischen Gravitationswellen-Detektoren lässt sich langfristig nur durch die Verwendung von ähnlichen Quetschlichtquellen weiter steigern. Auch geplante Detektoren der dritten Generation wie das europäische Einstein Teleskop werden auf diese Technologie angewiesen sein.
Quelle: MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT, MÜNCHEN