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Gravitationswellen-Mission : Der perfekte freie Fall

  • Aktualisiert am

Lisa-Pathfinder in der Animation. Bild: dpa

Die Satelliten-Mission „Lisa-Pathfinder“ hat erste Ergebnisse geliefert. Die Testmassen an Bord des Flugkörpers sind nur noch der Schwerkraft unterworfen. Wichtige Voraussetzungen für ein Gravitations-Observatorium im All sind geschaffen.

          Die Pläne für das weltraumgestützte Observatorium „Lisa“ (Laser Interferometer Space Antenna) zum Nachweis von Einsteins Gravitationswellen im All sind ein großes Stück vorangekommen. Die Satellitenmission „Lisa-Pathfinder“, die die technische Machbarkeit dieses ambitionierten Projekts demonstrieren soll, hat zwei Monate nach dem offiziellen Missionsbeginn nun erste Ergebnisse geliefert. Die Resultate hätten alle Erwartungen übertroffen, teilten die an der europäischen Pathfinder-Mission beteiligten Wissenschaftler auf einer Pressekonferenz in Hannover am Dienstag mit.

          „Mit Lisa-Pathfinder haben wir den bislang bekanntesten ruhigsten Ort geschaffen. Die Leistung der Mission ist spektakulär“, sagte Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. Die Ergebnisse zeigten, dass die zwei Testmassen im Inneren des Satelliten frei im Weltall fallen und fast ausschließlich dem Einfluss der Schwerkraft unterliegen. Man hätte alle störenden Kräfte deutlich besser unterdrücken können als gedacht.

          Schwebende Würfel im Laserfokus

          Die am 3. Dezember 2015 gestartete Gravitationswellen-Mission Lisa Pathfinder hatte Anfang des Jahres ihre endgültige Position, den 1,5 Millionen Kilometer entfernten Lagrangepunkt 1, erreicht. Dort heben sich die Anziehungskräfte zwischen Erde und Sonne fast auf – ideale Bedingungen für die Messungen, die Mitte März begonnen haben. Am 1. März waren die Arretierungen der beiden Testmassen an Bord des Flugkörpers gelöst worden. Die jeweils zwei Kilogramm schweren Würfel aus einer Gold-Platin-Legierung schwebten fortan frei innerhalb des Flugkörpers.

          Blick ins Innere von Lisa-Pathfinder. Zu sehen sind die beiden Testmassen links und rechts und der Verlauf der Laserstrahlen.

          Ein Lasersystem misst seither ständig den Abstand zwischen den Massen – er beträgt 38 Zentimeter – mit höchster Präzision. Auf diese Weise will man winzige Abweichungen vom perfekten freien Fall feststellen – ausgelöst etwa vom Sonnenwind, der auf den Satelliten niederprasselt oder vom Strahlungsdruck des Sonnenlichts. Auch der unerwünschte Einfluss von Stößen mit Gasmolekülen muss neben Temperaturschwankungen und elektrischen Feldern berücksichtigt werden.

          Die Gewichtskraft eines Virus

          Auf der Pressekonferenz präsentierten die Wissenschaftler der Pathfinder-Mission Daten, die belegen, dass die Testmassen innerhalb des Satelliten relativ zueinander tatsächlich nahezu bewegungslos schweben. Die relative Beschleunigung, die noch auf sie wirke, sei etwa so groß, wie die Gewichtskraft, die ein Virus' auf der Erde ausübe, erklärte Danzmann. Mit einem Laserinterferometer hat man gemessen, wie sich unter bestimmten Bedingungen der Abstand und die Ausrichtung der beiden Massen zueinander verändert. Die Messgenauigkeit beträgt nach Angaben der Forscher etwa zehn Pikometer (hundertmillionstel Millimeter).

          Die Wissenschaftler konnten den Abstand der beiden frei fallenden Testmassen mit einer Genauigkeit bestimmen, die dem Durchmesser eines Atoms und kleiner entspricht. Die Resultate, die weit über die gesteckten Ziele hinausreichten, sind am Dienstag auch in einem Artikel in den „Physical Review Letters“ erschienen.

          Das Ziel der auf insgesamt für sechs Monate anberaumten Pathfinder-Mission ist ein detailliertes physikalisches Modell aller Rauschprozesse, die die Messgenauigkeit des weltraumgestützten Interferometers Lisa beeinflussen können. Und natürlich soll mit dem Demonstrationsprojekt ein Großteil der für Lisa vorgesehenen Technologie getestet werden.

          Denn mit dem Gravitationswellen-Observatorium betritt man technisches und wissenschaftliches Neuland. Lisa ist ein System aus drei Satelliten, die im Formationsflug ein gleichseitiges Dreieck von mehreren Millionen Kilometer langen Laserstrahlen aufspannen. Das riesige dreieckige Interferometer würde auf der Erdbahn um die Sonne kreisen. Es soll geringste Längenänderungen registrieren können, die von sich ausbreitenden Gravitationswellen – winzigen Verzerrungen des Raums, ausgelöst von Supernova-Explosionen, rotierenden Neutronensternen oder verschmelzenden Schwarzen Löchern  – erzeugt werden.

          Doch bis Lisa an den Start geht, wird noch einige Zeit verstreichen. Das ist nach jetzigem Stand für Mitte 2030 vorgesehen. Solange werden die irdischen Gravitationswellen-Observatorien Jagd auf Einsteins Wellen machen. In Washington und Louisiana stehen mit jeweils vier Kilometer langen Laserarmen die beiden derzeit leistungsfähigsten und empfindlichsten Gravitationswellen-Interferometer. Die Freude war groß, als  man am 14. September 2015 mit den beiden Ligo-Antennen erstmals Gravitationswellen nachwies, die von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern in 1,3 Milliarden Lichtjahren Entfernung erzeugt worden waren.

          Die beiden 3000 Kilometer voneinander entfernten Gravitationswellen-Detektoren zeigten am 14. September 2015 ein bis auf etwas Rauschen identisches Signal (oben). Es folgt exakt den Vorhersagen der Einsteinschen Theorie (unten) für die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, inklusive des „Ringdown“, bei dem das Verschmelzungsprodukt vibriert wie eine frische Seifenblase.

          Allerdings hat man auf der Erde mit einer Reihe von Rauschsignalen zu kämpfen, die man mühsam aus den Daten herausfiltern muss. Erdbeben, Autoverkehr und selbst die Blätter, die von Bäumen fallen, erzeugen gravitative Signale. Will man die Störquellen umgehen, muss man die Interferometer in den Weltraum verlegen. Außerdem ist dort die Länge der Laserarme nicht mehr auf nur wenige Kilometer beschränkt. Dann lassen sich auch niederfrequente Gravitationswellen aufspüren, die auf der Erde nicht zugänglich sind. Große Hoffnung setzen die Physiker daher auf das Weltraum-Interferometer Lisa.

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