Interferometer sind Untersuchungsinstrumente, die in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik eingesetzt werden. Sie werden Interferometer genannt, weil sie durch die Zusammenführung von zwei oder mehr Lichtquellen ein Interferenzmuster erzeugen, das gemessen und analysiert werden kann; daher „Interfere-o-meter“ oder Interferometer. Die von Interferometern erzeugten Interferenzmuster enthalten Informationen über das untersuchte Objekt oder Phänomen. Sie werden häufig verwendet, um sehr kleine Messungen durchzuführen, die auf andere Weise nicht möglich sind. Deshalb sind sie so leistungsfähig bei der Entdeckung von Gravitationswellen – die Interferometer von LIGO sind so konstruiert, dass sie einen Abstand von 1/10.000stel der Breite eines Protons messen können!

Die heute weit verbreiteten Interferometer wurden Ende des 19. Jahrhunderts von Albert Michelson erfunden. Das Michelson-Interferometer wurde 1887 im „Michelson-Morley-Experiment“ eingesetzt, das die Existenz des „leuchtenden Äthers“ beweisen oder widerlegen sollte – eine Substanz, von der man damals annahm, dass sie das Universum durchdringt. Alle modernen Interferometer haben sich aus diesem ersten Experiment entwickelt, da es zeigte, wie die Eigenschaften des Lichts für kleinste Messungen genutzt werden können. Die Erfindung des Lasers hat es den Interferometern ermöglicht, die kleinsten vorstellbaren Messungen vorzunehmen, wie sie von LIGO benötigt werden.

Bemerkenswerterweise unterscheidet sich die Grundstruktur der Interferometer von LIGO kaum von dem Interferometer, das Michelson vor über 125 Jahren entworfen hat, allerdings mit einigen zusätzlichen Merkmalen, die in LIGO’s Interferometer beschrieben werden.

Wie sieht ein Interferometer aus?

Aufgrund ihrer breiten Anwendung gibt es Interferometer in einer Vielzahl von Formen und Größen. Sie werden eingesetzt, um alles zu messen, von den kleinsten Veränderungen auf der Oberfläche eines mikroskopisch kleinen Organismus bis hin zur Struktur riesiger Gas- und Staubmassen im fernen Universum, und jetzt auch zum Nachweis von Gravitationswellen. Trotz ihrer unterschiedlichen Bauweise und der verschiedenen Einsatzmöglichkeiten haben alle Interferometer eines gemeinsam: Sie überlagern Lichtstrahlen, um ein Interferenzmuster zu erzeugen. Die Grundkonfiguration eines Michelson-Laserinterferometers ist rechts dargestellt. Es besteht aus einem Laser, einem Strahlteiler, einer Reihe von Spiegeln und einem Photodetektor (der schwarze Punkt), der das Interferenzmuster aufzeichnet.

Was ist ein Interferenzmuster?

Um die Funktionsweise von Interferometern besser zu verstehen, ist es hilfreich, mehr über „Interferenz“ zu wissen. Jeder, der schon einmal Steine in einen flachen, glasigen Teich oder Pool geworfen und beobachtet hat, was dabei passiert, weiß, was Interferenz ist. Wenn die Steine auf das Wasser treffen, erzeugen sie konzentrische Wellen, die sich von der Quelle wegbewegen. Und wo sich zwei oder mehr dieser konzentrischen Wellen kreuzen, interferieren sie miteinander. Diese Interferenz kann zu einer größeren Welle, einer kleineren Welle oder zu gar keiner Welle führen. Das sichtbare Muster, das dort entsteht, wo sich die Wellen überschneiden, ist einfach ein „Interferenzmuster“.

Die Prinzipien der Interferenz sind einfach zu verstehen. Zwei oder mehr Wellen interagieren. Addiert man die Höhen der einzelnen Wellen bei ihrer Wechselwirkung, so ergibt sich ein „Interferenzmuster“. Die Abbildung rechts zeigt zwei spezielle Arten von Interferenz: totale konstruktive Interferenz und totale destruktive Interferenz. Totale konstruktive Interferenz liegt vor, wenn die Spitzen und Täler von zwei (oder mehr) Wellen perfekt aufeinander treffen. Wenn man sie addiert, „konstruiert“ man eine größere Welle, deren Größe gleich der Summe der Höhen (und Tiefen!) der beiden Wellen an jedem Punkt ist, an dem sie physikalisch interagieren. Die totale destruktive Interferenz tritt auf, wenn die Spitzen einer oder mehrerer Wellen auf die Täler einer identischen Welle treffen und mit diesen übereinstimmen. Wenn man diese addiert, heben sie sich gegenseitig auf (d. h. sie „zerstören“ sich gegenseitig).

In der Natur treffen die Spitzen und Täler einer Welle nicht immer perfekt auf die Spitzen oder Täler einer anderen Welle, wie die Abbildung zeigt. Praktischerweise ist die Höhe der Welle, die sich aus der Interferenz ergibt, unabhängig davon, wie synchron sie sind, immer gleich der Summe der Höhen der zusammenlaufenden Wellen an jedem Punkt, an dem sie physisch interagieren. Wenn also Wellen etwas unsynchronisiert aufeinandertreffen, kann es zu partieller konstruktiver oder destruktiver Interferenz kommen. Die folgende Animation veranschaulicht diesen Effekt. Die schwarze Welle zeigt das Ergebnis der Addition der Spitzen und Täler der roten und blauen Wellen, die sich durcheinander bewegen (interferieren). Die Addition der Höhen/Tiefen der einzelnen Wellen an jedem Punkt, an dem sie sich gegenseitig durchlaufen, ergibt die schwarze Welle. Man beachte, dass sie eine ganze Reihe von Höhen erfährt, von doppelt so hoch/tief (totale konstruktive Interferenz) bis flach (totale destruktive Interferenz). In diesem Beispiel ist die schwarze Welle das Interferenzmuster (das Muster, das sich aus der fortgesetzten Interferenz zwischen der roten und der blauen Welle ergibt). Man beachte, wie sie sich weiter verändert, solange die rote und die blaue Welle miteinander interagieren.

Die sich verändernde schwarze Welle ist das Interferenzmuster, das durch die rote und die blaue Welle entsteht, wenn sie durchlaufen/miteinander interagieren.

Parallelen zum Licht

Zufälligerweise verhalten sich Lichtwellen genauso wie Wasserwellen. Wenn sich zwei Laserstrahlen treffen, erzeugen auch sie ein Interferenzmuster, das davon abhängt, wie gut die Lichtwellen ausgerichtet sind, wenn sie sich treffen. Wenn die Wellenberge des einen Strahls perfekt auf die Wellentäler des anderen treffen, kommt es genau wie im Wasser zu einer totalen destruktiven Interferenz. Im Wasser ist das Ergebnis keine Welle. Beim Licht ist das Ergebnis: kein Licht! Umgekehrt kommt es zur konstruktiven Interferenz, wenn die Spitzen eines Strahls perfekt auf die Spitzen eines anderen treffen. Auch hier ist im Wasser die Höhe der entstehenden Welle gleich der Summe der Höhen der beiden Wellen; im Licht ist das Ergebnis ein Licht, das der Summe der Intensitäten der beiden getrennten Lichtstrahlen entspricht. Führt man diese Analogie zu Ende, so können die Wellen im Wasser, wenn sie sich gegenseitig durchdringen, eine ganze Reihe von Interferenzen erfahren, von teilweiser bis zu vollständiger konstruktiver und destruktiver Interferenz (größere Welle, kleinere Welle, keine Welle). Beim Licht ist das Ergebnis ein ganzes Spektrum von Helligkeit, von Dunkelheit bis zur Summe der Intensitäten der interagierenden Strahlen.

Parallelen zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz im Wasser und mit Licht. (Angepasst von www.explainthatstuff.com)

Um auf die Interferometer von LIGO zurückzukommen: Wie gut die Strahlen bei der Verschmelzung ausgerichtet sind, hängt von der Entfernung ab, die sie vor der Verschmelzung zurücklegen. Wenn die Strahlen genau die gleiche Entfernung zurücklegen, sind ihre Lichtwellen perfekt ausgerichtet, so dass sie zu einer totalen destruktiven Interferenz führen (LIGO ist absichtlich so konzipiert, dass dies geschieht, wenn keine Gravitationswellen passieren). Wenn die Laser aber aus irgendeinem Grund nicht die gleiche Entfernung zurücklegen, sind ihre Lichtwellen nicht mehr synchron, wenn sie verschmelzen, was bedeutet, dass kein Licht, nur wenig Licht oder ein Licht, das so hell ist wie der ursprüngliche Laserstrahl, den Fotodetektor erreicht. Und wenn die Arme ihre Länge im Laufe der Zeit ändern, erscheint ein Flimmern, da die Strahlen eine Reihe von Interferenzen erfahren, je nachdem, wie sie sich in einem bestimmten Moment treffen.

Wie wirken sich Gravitationswellen auf das Interferometer von LIGO aus?

Gravitationswellen bewirken, dass sich der Raum selbst in eine Richtung ausdehnt und gleichzeitig in einer senkrechten Richtung komprimiert. Bei LIGO führt dies dazu, dass ein Arm des Interferometers länger wird, während der andere kürzer wird, und dann umgekehrt, und zwar so lange, wie die Welle durchläuft. Der Fachausdruck für diese Bewegung lautet „Differential Arm“ oder „Differential Displacement“, da sich die Arme gleichzeitig auf entgegengesetzte Weise, also differentiell, in ihrer Länge verändern.

Wie oben beschrieben, ändert sich mit der Längenänderung der Arme auch die von jedem Laserstrahl zurückgelegte Strecke. Ein Strahl in einem kürzeren Arm kehrt vor dem Strahl in einem längeren Arm zum Strahlteiler zurück, dann wechselt die Situation, wenn die Arme zwischen länger und kürzer oszillieren. Da die Lichtwellen zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen, treffen sie bei der Rekombination am Strahlteiler nicht mehr genau aufeinander. Stattdessen verschieben sie sich in und aus der Ausrichtung oder „Phase“, während sie verschmelzen, während die Welle die Armlängen zum Schwingen bringt. Vereinfacht ausgedrückt, führt dies zu einem Flimmern des Lichts, das aus dem Interferometer austritt. Dieser Vorgang wird in dem Clip rechts aus Einsteins Boten dargestellt.

Während die Idee im Prinzip fast einfach erscheint, ist es in der Praxis nicht möglich, dieses Flimmern zu erkennen. Die Änderung der Armlänge, die durch eine Gravitationswelle verursacht wird, kann so klein sein wie 1/10.000stel der Breite eines Protons (das sind 10-19 m)! Darüber hinaus ist es eine andere Geschichte, ein Gravitationswellenflimmern unter all den anderen Flimmern zu finden, die LIGO erfährt (verursacht durch alles, was die Spiegel erschüttern kann, wie Erdbeben oder Verkehr auf nahe gelegenen Straßen). Die LIGO-Technologie beschreibt detailliert, wie LIGO einen Großteil dieses „Rauschens“ herausfiltert, um das verräterische „Flackern“ des Lichts, das von einer Gravitationswelle verursacht wird, zu entdecken.