Jubel bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA: Gravitationswellendetektoren im Weltraum sind möglich. Das zeigen die ersten Ergebnisse des Technologiesatelliten LISA Pathfinder.

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen mit dem Detektor LIGO vor wenigen Monaten öffnete der Astronomie ein völlig neues Fenster zur Beobachtung des Universums. Detektoren, die sich nicht auf der Erde, sondern im Weltraum befinden, könnten eine fantastische Messgenauigkeit besitzen und damit ungeahnte Einsichten in astronomische Vorgänge erlauben. Das Potenzial dieser neuen Technologie untersucht gegenwärtig der Satellit LISA Pathfinder.

Im Kontrollzentrum Villafranca in Spanien stellte die ESA nun die ersten Ergebnisse von LISA Pathfinder vor. Der Satellit, der sich seit Anfang März 2016 im Messbetrieb befindet, kann selbst keine Gravitationswellen nachweisen. Er erprobt jedoch im kleinen Maßstab die Verfahren, die zum Aufbau eines Millionen Kilometer großen Gravitationswellendetektors im Weltraum nötig sind.

Und das gelingt weit besser als erwartet, wie auch eine heute veröffentlichte Studie mit den ersten Ergebnissen zur LISA-Pathfinder-Mission zeigt. Demnach kann der Satellit die geforderte Messgenauigkeit nicht nur erreichen, sondern sogar übersteigen: Veränderungen in der Position der frei fallenden Testmassen sind im Pikometerbereich, also im Bereich von 10-12 Meter messbar.

LISA Pathfinder startete am 3. Dezember 2015 vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana aus ins All. Ende Januar 2016 erreichte der Satellit seine Messposition am so genannten Lagrangepunkt L1, der sich gut anderthalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt in Richtung Sonne befindet. An diesem Punkt heben sich die Anziehungskräfte von Sonne und Erde derart auf, dass der Satellit mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde um die Sonne läuft. Neben den notwendigen geringen gravitativen Störungen bietet der Bereich um L1 vor allem eine stabile thermische Umgebung mit nahezu konstanter Sonneneinstrahlung und damit äußerst geringen Temperaturschwankungen.

Das Wissenschaftsmodul von LISA Pathfinder enthält zwei Inertialsensorsysteme mit jeweils einer Testmasse in einem Vakuumbehälter. Die beiden Testkörper bestehen aus einer speziellen Gold-Platin-Legierung und haben eine Masse von je zwei Kilogramm. Während des Flugs des Satelliten auf einer Halobahn um den Lagrangepunkt L1 schweben die beiden Testmassen frei im Vakuumgehäuse und haben keinerlei physischen Kontakt mit dem übrigen Satelliten, so dass sie sich praktisch im freien Fall befinden.

Das Herzstück von LISA sind zwei Würfel aus einer Gold-Platin-Legierung, die jeweils in einem Behältnis mit einem Vakuum untergebracht sind. Sie dienen als Spiegel eines Laserinterferometers, der ihren Abstand exakt vermessen soll. Kleinste Veränderungen des Abstands sollen Gravitationswellen verraten.
© ESA
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernTechnologie des Satelliten

Ein Laserinterferometer an Bord misst die Positionen und räumlichen Verdrehungen der Testmassen relativ zur Sonde sowie die Lage und Orientierung der beiden Testwürfel zueinander mit hoher Präzision. Um die erforderlichen Genauigkeiten im Pikometerbereich (10-12 Meter) zu erreichen, sind nicht nur präzise Optiken erforderlich, sondern auch ein extrem stabiles Lasersystem und eine äußerst rauscharme Ausleseelektronik. Inertialsensoren steuern die Mikrotriebwerke der Sonde, die das Wissenschaftsmodul von LISA Pathfinder stets auf die Testmassen zentriert halten. Eine wichtige Funktion des Wissenschaftsmoduls ist, sämtliche Störeinflüsse von den Testmassen fernzuhalten.

Paul McNamara, der Projektleiter von LISA Pathfinder, sagte bei der Vorstellung der ersten Ergebnisse: "Wir haben die ursprünglich geforderte Messgenauigkeit bereits innerhalb des ersten Tages erreicht. In den folgenden Wochen konnten wir dies nochmals um den Faktor fünf steigern."

LISA Pathfinder zeigt damit eindrücklich, dass die Technologien, die zum Aufbau eines Gravitationswellendetektors nötig sind, funktionieren. Damit ist eine wichtige Hürde für die weiteren Planungen genommen. Ein einsatzfähiger Gravitationswellendetektor im Weltraum könnte Mitte der 2030er Jahre Realität werden.