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Gravitationswellen: LISA: Das größte Observatorium der Welt

ESA und NASA wollen 2034 das ambitionierte Gravitationswellen-Observatorium LISA starten. Drei Satelliten bilden ein riesiges Laser-Dreieck im All, das deutlich größer als die Erde sein wird und hinter ihr her fliegen soll. LISA kann anders als erdgebundene Detektoren Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen und völlig andere Quellen aufspüren, unter anderem Weiße Zwerge und sehr massereiche Schwarze Löcher.
Laser-Dreieck LISALaden...

Die Gravitationswellen-Astronomie nimmt seit dem Durchbruch mit den LIGO-Detektoren im September 2015, als erstmals die Raumzeitwellen von verschmelzenden Schwarzen Löchern nachgewiesen wurden, mächtig an Fahrt auf. Eines der nächsten großen Ziele ist die Platzierung eines Laserinterferometers im All.

Der Betrieb eines solchen Detektors auf Satelliten ist freilich sehr anspruchsvoll, bietet jedoch zwei entscheidende Vorteile: Erstens kann das Interferometer sehr groß gebaut werden, so dass ganz neue, sehr niedrige Frequenzbereiche von Gravitationswellen zugänglich werden. Zweitens ist ein Weltrauminterferometer nicht den störenden Einflüssen ausgesetzt, die auf der Erde herrschen: seismisches Rauschen und Störungen durch menschliche Aktivitäten gibt es im Weltraum nicht. Aus diesem Grund liegt schon seit den 1990er Jahren ein Projektentwurf auf dem Tisch, um Gravitationswellen im All zu messen: LISA, »Laser Interferometer Space Antenna«, ein weltraumgestütztes Gravitationswellen-Laserinterferometer. Drei Satelliten fliegen in einer Dreiecksformation durch den Weltraum und bilden ein nahezu gleichseitiges Dreieck mit einer Kantenlänge von 2,5 Millionen Kilometer. Das riesige Dreieck fliegt dem Erde-Mond-System in etwa 50 Millionen Kilometer Abstand hinterher.

Die Europäische Weltraumagentur ESA und ihr US-amerikanisches Pendant NASA haben sich zusammengetan, um das Megaprojekt zu finanzieren und zu entwickeln. Um grundlegende Herausforderungen und die Technologiekonzepte von LISA an sich zu testen, schickte die ESA zunächst eine abgespeckte Vorläufermission names LISA Pathfinder ins Rennen. Am 3. Dezember 2015 hob vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana, gelegen im Norden Südamerikas, eine Vega-Trägerrakete ab, um mit einer Sonde für LISA kritische Technologien im All zu testen. Im Innern der Sonde von LISA Pathfinder befanden sich zwei Gold-Platin-Würfel, Testmassen genannt, die sich von geringfügigen Störungen abgesehen, nur unter dem Einfluss der Gravitation standen. Die Würfel haben ein Kantenlänge von 4,6 Zentimeter, eine Masse von knapp zwei Kilogramm und bewegen sich gewissermaßen kräftefrei. Eine Gravitationswelle versetzt die Testmassen gegeneinander in Schwingungen. LISA spürt diese relativen Bewegungen, indem es die Testmassen von jeweils zwei Satelliten genau verfolgt.

Bereits bei den ersten Messungen Ende Februar 2016, noch während der Inbetriebnahme, wurde offensichtlich, dass die wesentlichen Anforderungen an LISA Pathfinder klar erfüllt, ja, zum Teil sogar deutlich übertroffen werden. Die Abstandsmessungen der beiden Testmassen im Innern des Satelliten sollte – so die Missionsanforderung –, auf Billonstel Meter (Pikometer) genau gemessen werden können. Den Wissenschaftlern von LISA Pathfinder ist es gelungen, die Abstände sogar tausendfach genauer zu bestimmen, also bis in den Femtometerbereich. Die ESA beschloss daher bereits im Juni 2016, die Mission von zunächst vorgesehenen elf Monaten, einschließlich der dreimonatigen Bahntransfer- und Inbetriebnahmephase zu Beginn der Mission, bis Mitte 2017 zu verlängern. Diese Maßnahme erlaubte es den Forschern durch mehrwöchige Langzeitmessungen die Resultate noch einmal deutlich zu verbessern ...

April 2019

Dieser Artikel ist enthalten in Sterne und Weltraum April 2019

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  • Literaturhinweise

Abbott, B. P. et al.: Binary Black Hole Mergers in the First Advanced LIGO Observing Run. In: Physical Review X 6, 041015, 1 – 36 (2016)

Armano, M. et al.: Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observato-ries: LISA Pathfinder Results. In: Physical Review Letters 116, S. 231101-1 – 10 (2016)

Armano, M. et al.: Beyond the Required LISA Free-Fall Performance: New LISA Pathfinder Results down to 20 μHz. In: Physical Review Letters 120, S. 061101-1 – 7 (2018)

Garcia-Bellido, J.: Massive Primordial Black Holes as Dark Matter and their detection with Gravitational Waves. arXiv:1702.08275v1 (2017)