Quantenphysik
Gas cooling of test masses for future gravitational-wave observatories
31. August 2021
Wie viel Austauschgas zur Kühlung können Gravitationswellendetektoren vertragen?
Diese Frage wird durch unsere Veröffentlichung in der Zeitschrift "Classical and Quantum Gravity" beantwortet und die Antwort könnte für das geplante Einstein-Teleskop relevant werden. Vielen ist der Effekt der Brownschen Bewegung bekannt. Auch die Oberflächen der 40 kg schweren Spiegel in Gravitationswellenobservatorien zeigen ihn: Die Spiegeloberflächen wackeln und vibrieren aufgrund von thermischer Energie. Diese Art der Brownschen Bewegung begrenzt die Zahl der messbaren Gravitationswellen. Kühlt man die Spiegel ab, z.B. auf -255°C, d.h. 18 Kelvin, beruhigen sich die Spiegel erheblich und die Messempfindlichkeit des Gravitationswellenobservatoriums steigt. Doch wie hält man einen Spiegel, der an dünnen Fasern im Vakuum aufgehängt ist und möglichst nichts berühren soll, auf einer so niedrigen Temperatur? Das Problem besteht darin, dass der Spiegel sehr intensives Laserlicht reflektiert und leider auch einen Teil davon absorbiert. Dadurch würde er sich unweigerlich aufheizen, wenn diese Wärmeenergie nicht permanent abgeleitet wird. Nach unseren Berechnungen, die wir in Zusammenarbeit mit Kollegen bei DESY durchgeführt haben, stört ein Heliumgasdruck von weniger als 20µPa (2·10^(-8) mbar) bei 5 Kelvin den Spiegel nicht wesentlich. Die Kühlleistung beträgt 10mW und liefert immerhin 10% der notwendigen Leistung. Die restlichen 90 % müssen durch Strahlungskühlung und Wärmeleitung durch die dünnen Fasern bereitgestellt werden.
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