Empfindlichkeit und Rauschen

 

Wenn man sehr kleine Änderungen einer physikalischen Größe messen möchte, braucht man natürlich ein sehr empfindliches Messinstrument. Aber was bedeutet eigentlich empfindlich? Selbstverständlich sprechen wir hier nicht über eine Empfindlichkeit wie Menschen sie besitzen. Wenn wir über die Empfindlichkeit eines Messinstrumentes sprechen, dann meinen wir damit sein Vermögen, das gewünschte Messsignal zu "sehen". Das bedeutet für Gravitationswellendetektoren, dass ihre Empfindlichkeit ein Maß dafür ist, wieviel des gemessenen Signals wirklich von Gravitationswellen stammt. Um die beste Empfindlichkeit zu erzielen, sollten wir die Stärke des gewünschten Signals so groß und die Stärke ungewünschter Signale so klein wie möglich machen. Die unerwünschten Signale nennt man Rauschen.

Lassen Sie uns mit dem ersten Punkt beginnen: Die Maximierung des Gravitationswellensignals. In erster Linie können wir das durch einen großen Detektor erreichen. Die Interferometer sind nicht nur zum Spaß 4km lang. Mit Hilfe einer sehr großen Armlänge vergrößert sich der absolute Längenunterschied eines Armes bei Einwirkung einer Gravitationswelle, was wiederum ein verstärktes Ausgangssignal des Detektors bewirkt.

Obwohl wir den Detektor nun so empfindlich wie möglich für Gravitationswellen gemacht haben, stellt sich die Frage, warum das noch nicht ausreicht? Nun, die Gravitationswellensignale aus dem All sind noch immer so klein, dass viele andere Signale sich ihnen überlagern können. Stellen sie sich vor, sie sitzen auf einer Seite eines menschenleeren Parks und ihr Freund sitzt auf der anderen Seite. Wenn ihr Freund sie laut ruft, können sie ihn sehr wahrscheinlich hören, da sich kaum andere Geräusche seinen Rufen überlagern. Würden sie hingegen im selben Abstand in einem belebten Stadtzentrum sitzen, würde es mit großer Sicherheit äußerst schwer sein, die Rufe ihres Freundes zu hören. Dies rührt daher, dass sich die vielen anderen Geräusche den Rufen überlagern und es deshalb kaum möglich ist, sie aus dem Lärm herauszuhören. Genau das passiert auch mit Gravitationswellendetektoren. Sie sind sogar so empfindlich, dass sie das kleine Rauschen durch die Vibrationen von Atomen in den Spiegeloberflächen `hören', welche dann das Gravitationswellensignal überdecken können.

Empfindlichkeitskurve

Oben sehen sie ein Beispiel einer Empfindlichkeitskurve: Jede der Linien repräsentiert eine andere Rauschquelle und das Ziel für den Bau eines guten Interferometers ist es, diese Linien so niedrig wie möglich zu halten. Das Erste, was man offensichtlich tun sollte, ist den Detektor an einen ruhigen Ort zu bringen, d.h. dafür den Park und nicht das Stadtzentrum zu wählen. Allerdings gibt es noch eine Vielzahl anderer Möglichkeiten, den Detektor einen möglichst geringen Rauschpegel messen zu lassen.