Das Universum schwingt und pulsiert im Rhythmus unscheinbarer Melodien – den Gravitationswellen. Diese Verzerrungen in der Raumzeit sind die Symphonien des Kosmos, komponiert von gewaltigen Ereignissen wie den Verschmelzungen von Schwarzen Löchern oder Neutronensternen. Die Gravitationswellenastronomie spielt eine entscheidende Rolle dabei, neue Erkenntnisse aus solchen Ereignissen zu gewinnen. Ein Hauptakteur in diesem Ensemble ist LISA, die Laser Interferometer Space Antenna, ein Projekt unter der Federführung der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), das bald unser Verständnis des Universums revolutionieren wird.

Seit das LISA-Projekt den entscheidenden Meilenstein der »Mission Adoption« im Januar 2024 passiert hat, machen sich die ESA und die Wissenschaftsgemeinschaft bereits Gedanken über einen möglichen Nachfolger. Im Rahmen des ESA-Programms »Voyage 2050« ist unter anderem eine Mission vorgesehen, die Rätsel rund um das frühe Universum entschlüsseln soll. Ein mögliches Missionskonzept hierfür ist LISAmax: Dieses Trio von Satelliten soll im Sonnenorbit ein Interferometer bilden, dessen Größe das Hundertfache der bereits beeindruckenden LISA-Formation beträgt.

Von LIGO/Virgo zu LISA: Die Präzision der Raumzeit-Messung

Der erste direkte Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2015 durch die LIGO/Virgo-Kollaboration läutete das Zeitalter der Gravitationswellenastronomie ein. Nachgewiesen wurde die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit etwa 36 und 29 Sonnenmassen. Ein derartiges Ereignis erzeugt Gravitationswellen im Frequenzbereich von 35 bis etwa 250 Hertz, das entspricht Wellenlängen zwischen 8600 und 1200 Kilometern – also im hörbaren Bereich. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Masse der kollidierenden Objekte und der Frequenz des dabei erzeugten Gravitationswellensignals. Massenreichere Objekte erzeugen tiefere Frequenzen und dementsprechend größere Wellenlängen.

Übersteigt die Wellenlänge der Gravitationswelle nun deutlich die Armlänge des Detektors (vier Kilometer bei LIGO), hinterlässt sie kein messbares Signal mehr: Die durch die Verzerrung des Raumes erzeugte Längenänderung des Laserstrahls ist dann zu gering, um sich vom Rauschen im Detektor abzuheben. Möchte man Kollisionsereignisse von massereichen Schwarzen Löchern, also solchen mit 10³ bis 10⁹ Sonnenmassen, nachweisen, würde das Interferometer schon zu groß werden, um es auf der Erde realisieren zu können.

LISA wird die erste Mission sein, die einen Gravitationswellendetektor im Weltraum verwirklicht. Sie soll im Jahr 2035 starten und besteht aus drei Raumsonden, die ein gleichseitiges Dreieck mit einer Armlänge von 2,5 Millionen Kilometern bilden. So liegt der Messbereich von LISA mit etwa 0,1 Millihertz bis 1 Hertz deutlich unter demjenigen der erdgebundenen Detektoren LIGO/Virgo. Der Detektor ist daher für Kollisionen von kompakten Objekten von 10³ bis 10⁷ Sonnenmassen empfindlich.

Dies ist jedoch nur ein Beispiel aus einer Reihe von wissenschaftlichen Anwendungsfällen, die LISA untersuchen wird. Unter anderem könnte LISA auch einen stochastischen Gravitationswellenhintergrund nachweisen, der durch Prozesse im frühen Universum, wie Phasenübergänge und Inflation, erzeugt wurde. Ein solcher Hintergrund wäre vergleichbar mit dem bekannten Mikrowellenhintergrund der elektromagnetischen Strahlung, würde aber im Gegensatz zu dieser Einblicke Sekundenbruchteile nach dem Urknall ermöglichen. Der Mikrowellenhintergrund dagegen zeigt das Universum 380 000 Jahre nach dem Urknall.

Ein Blick in die Zukunft

Innovative Weltraummissionen wie LISA, erfordern eine lange Vorbereitungszeit. Aus diesem Grund plant die ESA bereits eine Nachfolge des aktuellen Programms »Cosmic Visions«, dessen Teil LISA ist. »Voyage 2050« sieht drei große Missionen vor, von denen eine den Fokus auf die Kosmologie des frühen Universums legen soll. Diskutiert wird entweder ein Nachfolger des Weltraumteleskops Planck oder eine weitere Gravitationswellenmission.

Hier käme eine Mission wie LISAmax als ein potenzieller Nachfolger von LISA infrage, mit dem Ziel, die Empfindlichkeit gegenüber Gravitationswellen im Mikrohertzbereich um zwei Größenordnungen zu verbessern. Daneben untersucht das LISA-Konsortium aktuell zwei weitere Optionen, die sich von LISAmax vor allem im angestrebten Frequenzbereich unterscheiden.

Ein Quantensprung in der Empfindlichkeit

LISAmax baut auf den Ideen amerikanischer Wissenschaftler auf, die bereits lange vor »Voyage 2050« entwickelt wurden. Das Konzept verfolgt einen ambitionierten Ansatz, indem es eine Dreier-Konstellation von Raumsonden nahe den Lagrange-Punkten L3, L4 und L5 im System Sonne-Erde positioniert. Um eine direkte Kommunikation der Sonde nahe L3 mit der Erde nicht durch die Sonne zu behindern, ist die gesamte Konstellation um zehn Grad gedreht.

Dieser Aufbau ermöglicht eine Armlänge von 259 Millionen Kilometern (bei LISA sind es 2,5 Millionen Kilometer) und somit eine hundertfach verbesserte Empfindlichkeit des Detektors im Mikrohertzbereich im Vergleich zu LISA. LISAmax könnte beispielsweise die spiralförmige Annäherung massereicher Schwarzer Löcher viele Jahre vor ihrer Verschmelzung nachweisen, lange bevor sie von LISA messbar wären.

Das LISA-Konsortium diskutiert derzeit weitere Anwendungsfälle und vergleicht diese mit anderen Missionskonzepten, die beispielsweise ein höheres Frequenzband als LISA anstreben. Solche Detektoren können entweder in einem LISA-ähnlichen Orbit mit einer verringerten Armlänge oder im Erdorbit platziert werden. Letztlich muss die Entscheidung getroffen werden, welches der diskutierten Konzepte die aussichtsreichsten Wissenschaftsdaten liefern wird.

Ein weltraumbasierter Gravitationswellendetektor kann nur funktionieren, wenn die Konstellation über die Missionsdauer stabil bleibt; in diesem Fall werden zehn Jahre angenommen. Stabilität bedeutet hier, dass Veränderungen der drei Eckwinkel sowie die Relativgeschwindigkeiten zwischen den Sonden gering bleiben. Es stellte sich heraus, dass sich bei einer Konstellation wie LISAmax für beide Parameter deutlich bessere Werte erzielen lassen als bei LISA, was an der ruhigen Umgebung nahe der Lagrangepunkte und der Größe des Dreiecks liegt.

Technische Herausforderungen

Ein Nachteil von LISAmax besteht darin, dass die Konstellation prinzipbedingt in der Erdbahnebene bleiben muss. Dies beeinträchtigt jedoch möglicherweise die Fähigkeit, die Quellen von Gravitationswellen präzise zu lokalisieren. Bei LISA wird die Lokalisation der Signale unter anderem dadurch ermöglicht, dass die Konstellation um 60 Grad gegenüber der Ekliptik geneigt ist und über das Jahr einmal um den ekliptischen Pol rotiert. Ob LISAmax andere Effekte, wie die durch die Größe des Detektors bedingte erhöhte Ankunftszeitverzögerung der Gravitationswellen, für die Lokalisation nutzen kann, wird aktuell untersucht.

Eine weitere Herausforderung von LISAmax liegt in der erhöhten Anforderung an die präzise Ausrichtung der Laser. Durch die 100-mal längeren Arme müssen die Laser auch um den Faktor 100 genauer ausgerichtet werden, um von der gegenüberliegenden Sonde empfangen zu werden. Würde der Strahl nur um ein Grad abweichen, so würde er die nächste Sonde im Dreieck um fast fünf Millionen Kilometer verfehlen. Die genaue Ausrichtung ist insbesondere zu Beginn der Wissenschaftsphase schwierig. Dann müssen die Laser die gegenüberliegende Sonde auf Basis der deutlich ungenaueren bodenbasierten Bahnbestimmung »finden«.

Entgegen der Intuition erfordert LISAmax nicht zwangsläufig deutlich stärkere Laser oder größere Teleskope als LISA. Der durch die größere Armlänge verursachte Leistungsverlust des ankommenden Laserstrahls wird durch die gleichzeitig stärkere Längenänderung im Detektor kompensiert, die durch eine ankommende Gravitationswelle verursacht wird. Das verstärkte Signal gleicht das durch den schwachen ankommenden Laser erhöhte Grundrauschen wieder aus.

Die aktuelle Konzeption von LISAmax sieht für den Konstellationsaufbau drei dezidierte Starts der Trägerrakete Ariane 6 aus Kourou vor. Diese Missionsoption ermöglicht eine Masse von je etwa 6500 Kilogramm pro Raumsonde, etwa das Dreifache der Masse jeder der LISA-Sonden. Um Kosten zu sparen, wäre auch ein gemeinsamer Start denkbar. Dies beschränkt aber die Masse der Einzelsonden. Es wäre schwierig, so beispielsweise die benötigten deutlich größeren Kommunikationsantennen unterzubringen.

Zusammenfassend könnte LISAmax der größte Gravitationswellendetektor sein, der trotz eines deutlich gesteigerten wissenschaftlichen Ertrags noch zu vertretbaren Kosten und ohne wesentlich höhere Missionskomplexität realisierbar ist.

Bisher sind keine unüberwindbaren Hindernisse für LISAmax identifiziert worden. Die Forschung konzentriert sich darauf, die volle wissenschaftliche Bandbreite von LISAmax und alternativen LISA-Nachfolgern zu charakterisieren und zu verstehen. Diese könnte nicht nur eine Fortsetzung, sondern eine bahnbrechende Erweiterung der Gravitationswellen-Astronomie bringen.