Einstein überprüfen – Präzisionsexperimente mit Lasern im Weltraum

Hochleistungs-Weltraummodul: Mikro-integrierter Extended Cavity Diode Laser (ECDL) für die Spektroskopie an Rubidium-Atomen im Weltraum. Damit wurden am 23.4.2015 Tests an Bord der Höhenforschungsrakete FOKUS durchgeführt. Ziel ist es zu zeigen, ob verschiedene Uhrentypen im Weltraum tatsächlich gleich gehen, wie Einstein behauptet hat. (© FBH/P.Immerz)

Volgens Albert Einstein gaan klokken steeds langzamer lopen naarmate ze zich dieper bevinden in het gravitatiepotentiaal van een massa – dus hoe dichter ze bijvoorbeeld bij een hemellichaam staan. Dit effect wordt binnen de Algemene Relativiteitstheorie aangeduid als gravitatie-rotverschijnsel – het is zichtbaar aan spectrale lijnen die naar de rode kant van het spectrum verschuiven. De Algemene Relativiteitstheorie voorspelt ook dat de gang van alle klokken op gelijke wijze door de zwaartekracht wordt beïnvloed, ongeacht hoe deze klokken fysiek of technisch gerealiseerd zijn. Nieuwere theorieën over de zwaartekracht suggereren echter dat het type klok wel degelijk invloed heeft op de sterkte van de gravitatie-rotverschijnsel.

Om dit te testen, zijn in het door het Duitse Centrum voor Lucht- en Ruimtevaart (DLR) gefinancierde project FOKUS vandaag verschillende kloktypes met een hoogtesterraket de ruimte ingeschoten en weer teruggebracht. Daar heersen de beste testomstandigheden, omdat het gravitatiepotentiaal hier bijzonder sterk varieert. Zo kan worden onderzocht of de gang van de klokken daadwerkelijk verschilt – en uiteindelijk ook of een van de nieuwere zwaartekrachtstheorieën een nauwkeuriger beschrijving biedt dan Einstein. De eerste experimenten in de ruimte zijn nu succesvol uitgevoerd: een team van wetenschappers heeft een hoogstabilen kwartsoscillator, die zoals een moderne polshorloge in het radiofrequentiebereik "tikt", en een compleet lasersysteem voor vergelijking de ruimte ingeschoten. Het hart van het lasersysteem is een microgeïntegreerd halfgeleiderlasermodule, ontwikkeld, gebouwd en getest aan het Berliner Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). De totale integratie van het lasersysteem vond plaats aan de Humboldt-Universiteit in Berlijn. De frequentie van de halfgeleiderlasers wordt in een door de Universiteit Hamburg ontwikkeld module gestabiliseerd op een atomaire overgang van het rubidiumatoom. Deze rubidiumatomen leveren in combinatie met de lasers een "optische atoomklok", die fysisch werkt volgens een ander principe dan de kwartsuur en ongeveer tien miljoen keer sneller "tikt" dan deze. Voor de vergelijking van de gang van de twee klokken wordt een door het projectleidende bedrijf Menlo Systems ontwikkeld optisch frequentiekam gebruikt.

De wetenschappers hebben met de tests voor het eerst aangetoond dat dergelijke "optische atoomklokken" en de daarvoor benodigde lasersystemen in de ruimte kunnen worden ingezet voor testen van gravitatie-rotverschijnselen en andere precisie-metingen. Met deze veeleisende technologische demonstratie hebben ze ook de technologische basis gelegd voor tests van het Einstein'sche evenwichtsprincipe met kalium- en rubidium-atoominterferometers binnen het kader van het project MAIUS. MAIUS maakt deel uit van de door het DLR gefinancierde QUANTUS-missie, waarbij nieuwe kwantumfysische technologieën ontwikkeld worden waarmee atomen gekalmd, gevangen en gemanipuleerd kunnen worden. Ook de verdere miniaturisering van de lasersystemen moet worden voortgezet en een volledig geautomatiseerde kwantumsensor in de ruimte worden getest. Het langetermijndoel is hier het testen van het Einstein'sche evenwichtsprincipe, volgens welk alle lichamen in een gravitatiepotentiaal "even snel vallen".

Kompakte en uiterst robuuste diodelasermodules uit het FBH voor de ruimte

Ontelbare valtorenexperiments aan het Centrum voor Toegepaste Ruimtevaarttechnologie en Microzwaartekracht (ZARM) in Bremen hebben het verfijnde experiment in de ruimte voorbereid. Het lasersysteem werd gerealiseerd aan het Ferdinand-Braun-Institut binnen het kader van het Joint Lab Laser Metrology in samenwerking met de groep Optische Metrologie van de HU Berlijn. Het Joint Lab onderzoekt en ontwikkelt al geruime tijd uiterst precieze en extreem compacte halfgeleiderlasermodules voor gebruik in de ruimte. Het kernstuk hiervan is een DFB (distributed feedback)-laser, die licht uitzendt in een zeer smal frequentie- of golflengtegebied. Deze spectrale smalbandigheid is een van de centrale eisen aan het lasersysteem, dat nodig is voor de spectroscopie van de rubidiumatomen en daarmee voor precisie-metingen. Met behulp van een wereldwijd unieke, hybride micro-integratietechnologie wordt de diodelaserchip samen met elektronische en optische componenten geïntegreerd tot een uiterst compact, raketgeschikt systeem. Uiteindelijk moeten de slechts handpalmgrote modules ook onder de extreme omstandigheden in de ruimte probleemloos functioneren. Tijdens de raketlancering worden ze blootgesteld aan sterke mechanische belastingen, waarbij acceleraties tot acht keer de zwaartekracht van de aarde kunnen optreden. "Onze integratietechnologie maakt ook belastingen tot 30 keer de zwaartekracht van de aarde mogelijk", zegt Dr. Andreas Wicht, hoofd van de werkgroep Laser Metrology aan het FBH, die goed voorbereid is op toekomstige eisen. "We werken bovendien aan nog smalbandigere spectrale lasers met hybrid geïntegreerde optische versterkers, die zich uitstekend lenen voor nog complexere experimenten." Hiermee breidt het FBH tegelijkertijd zijn knowhow uit op het gebied van optische en spectroscopische precisie-metingen, die behoren tot de meest precieze en nauwkeurige meetmethoden van onze tijd en die verdere toepassingen mogelijk maken.