Laser als Zollstock

Weil die Lichtwellen im Laserstrahl alle im gleichen Takt schwingen und extrem gerichtet sind, eignen sie sich besonders gut dafür, Entfernungen genau zu messen. Kein Wunder also, dass Laser-Messgeräte nicht nur im Baumarkt erhältlich sind oder bei Vermessungstechnikern eingesetzt werden. Längst sitzen die unsichtbaren Lineale im Auto, helfen beim Aufspüren verborgener Ruinen oder dienen dazu, die rätselhaftesten Wellen des Universums zu detektieren.

Das Prinzip der Entfernungsmessung per Laser ist eigentlich simpel: Das Gerät sendet kurze Laserpulse aus, die an potenziellen Hindernissen reflektiert werden. Über die Zeit, die das Licht braucht, um wieder beim Sensor anzukommen, ermittelt ein Computer den Abstand. Die Dämpfung oder Phasenverschiebung der Laserwellen liefern zusätzliche Informationen.

LIDAR machte im Wald verborgene Stadtstrukturen um die Tempel von Angkor Wat sichtbar © Evans et al. /PNAS

Ruinen und schwebende Gase

Dieses Messprinzip mit Laserstrahlen wird auch bei der Kartierung per LIDAR (Light Detection and Ranging) genutzt. Durch dieses Abtasten des Untergrunds per Infrarot- oder UV-Laserlicht haben Archäologen beispielsweise alte Römerstraßen in England aufgespürt oder auf der Halbinsel Yucatan tausende vom Urwald überdeckte Bauwerke der Maya entdeckt. 2013 stellten Forscher mit Hilfe von LIDAR-Messungen fest, dass die Tempelstadt Angkor Wat in Kambodscha einst Teil einer gewaltigen Megacity war – einer Stadt, die sich vor knapp tausend Jahren über mindestens 370 Quadratkilometer erstreckte.

LIDAR kann aber auch dazu eingesetzt werden, um Gase und Schwebteilchen in der Atmosphäre zu messen. So diente ein LIDAR im Frühjahr 2010 dazu, um die Dichte der Vulkanasche im deutschen Luftraum nach dem Ausbruch des Eyjafjallajökull zu ermitteln. Ein neuer, mit einem Laserinstrument bestückter Satellit kann künftig aber auch die genaue Methankonzentration in der Lufthülle messen – und soll dieses potente Treibhausgas kartieren.

Raumzeit-Wellen auf der Spur

Weniger um Geschwindigkeit, als vielmehr um Genauigkeit geht es bei den Laser-Instrumenten, die die weitreichendsten Wellen unseres Universums vermessen – die Gravitationswellen. Die Existenz dieser Rippel in der Raumzeit sagte schon vor genau 100 Jahren Albert Einstein voraus. Seiner Theorie nach entstehen sie immer dann, wenn sehr große Massen – wie beispielsweise Sterne oder schwarze Löcher – plötzlich in Bewegung geraten, kollidieren oder anderweitig ihre Beschleunigung ändern.

Nachweisen lassen sich die Gravitationswellen nur indirekt – über ihre Wirkung auf Materie. Treffen sie beispielsweise auf die Erde, wird der Untergrund um ein winziges Bisschen gestaucht und gedehnt. Und hier kommt wieder das Laserlicht ins Spiel. Denn in Gravitationswellen-Detektoren wie den beiden LIGO-Anlagen in den USA oder Virog in Italien dienen die kohärenten Strahlen dazu, diese minimalen Effekte aufzuspüren.

Das Prinzip eines Gravitationswellen-Detektors: Die Interferenz der beiden Teilstrahlen verrät, ob sich die Detektorstrecken durch die Wellen verändern. © scinexx

Verräterische Muster

Dafür wird ein Laserstrahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel in zwei Teilstrahlen geteilt. Das Licht in ihnen schwingt exakt in der gleichen Phase und Frequenz. Diese Strahlen durchlaufen nun zwei mehrere Kilometer lange und senkrecht zueinander stehende Tunnel und werden an ihrem Ende per Spiegel zurückgeworfen. Das ganze System ist so kalibriert, dass beide auch nach ihrer Rückkehr in gleicher Phase sind.

Läuft nun aber eine Gravitationswelle durch den Detektor, wird ein Arm des Interferometers ein wenig gestreckt, während gleichzeitig der andere ein wenig gestaucht wird. Dadurch verschieben sich die Phasen der Laserstrahlen gegeneinander. Aus dem dabei auftretenden Interferenzmuster lässt sich die winzige Längenveränderung ermitteln – bis auf ein Attometer genau – dies entspricht einem Hundertmilliardstel des Durchmessers eines Atoms.

Im Februar 2016 war es dann soweit: Zum ersten Mal registrierten die Messlaser der LIGO-Detektoren das charakteristische Signal von Gravitationswellen. Verursacht hatte sie die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern in rund 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Seither haben Forscher Dutzende weitere solcher Gravitationswellen-Ereignisse eingefangen, darunter auch die Signale einer Kollision zweier Neutronensterne sowie der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern.

Nadja Podbregar