Suche nach Gravitationswellen: LISA Pathfinder übertrifft alle Erwartungen

Die Mission LISA Pathfinder der Europäischen Weltraumagentur ESA hat alle Erwartungen der beteiligten Forscher bei weitem übertroffen. Das erklärte der Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik, Karsten Danzmann, anlässlich der Vorstellung der ersten Ergebnisse in Hannover. Die beiden Testmassen in dem Satelliten seien fünfmal besser vor äußeren Störeinflüssen geschützt als ursprünglich erwartet, erklärten die Wissenschaftler. Die Leistung des zugehörigen Laserinterferometers übertreffe die nötige Messgenauigkeit um das Hundertfache. Der Abstand der Testmassen könne genauer gemessen werden als der Durchmesser eines Atoms.

Hochpräziser Testlauf

Mit LISA Pathfinder testet die ESA die Technik, mit der ein künftiges Weltraumobservatorium nach Gravitationswellen suchen soll, die technisch bedingt auf der Erde nicht nachgewiesen werden können. In der Pathfinder-Sonde befinden sich dazu zwei je 2 Kilogramm schwere, 46 Millimeter messende Würfel aus einer besonders dichten und nicht-magnetischen Gold-Platin-Legierung. Die schweben in einem Abstand von 38 Zentimeter zueinander in der Sonde, die sich am sogenannten Lagrange-Punkt L1 befindet, wo sich Gravitation von Erde und Sonne und die Zentripetalkraft der Bewegung um den gemeinsamen Schwerpunkt gegenseitig aufheben.

Mit winzigen, etwa zehnmal pro Sekunde erfolgenden Triebwerksschüben präzisiert der Satellit seine Position ganz genau, damit die Testmassen frei schweben und keinen mechanischen Kontakt zur Sonde haben. Sie werden dann an ihren Positionen im freien Fall mit bislang unerreichter Genauigkeit von einem Laserinterferometer überwacht. Dieses Experiment kann auf der Erde nicht vorgenommen werden, weil äußere Einflüsse zu stark und unberechenbar sind.

Große Pläne

Nach dem großen Erfolg der Testmission Pathfinder blicken die Forscher nun auf den Plan eines großen Weltraumobservatoriums, das deutlich genauere Messungen durchführen soll. Eigentlich wollte die ESA dieses Observatorium LISA (Laser Interferometry Space Antenna) gemeinsam mit der NASA entwickeln, die hat sich aber zurückgezogen. Nach dem großen Erfolg von Pathfinder wird aber bereits über einen Wiedereinstieg der US-Amerikaner spekuliert. Bis dahin heißt die geplante ESA-Mission aber eLISA.

eLISA soll aus drei Satelliten bestehen, die Millionen Kilometer voneinander entfernt kreisen und in denen jeweils eine Masse schwebt. Über Laser, die die Sonden verbinden, sollen dann die genauen Positionen dieser Massekörper vermessen und analysiert werden. Damit sollen Gravitationswellen im Bereich von 0,1 mHz bis 1 Hz nachgewiesen werden. Diese niederfrequenten Gravitationswellen werden den Forschern zufolge insbesondere von exotischen Ereignissen wie verschmelzenden extrem massereichen schwarzen Löchern bei Galaxienkollisionen erzeugt.

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LISA-Mission zur Suche nach Gravitationswellen (6 Bilder)

Erst im Februar waren mithilfe des Gravitationswellen-Observatoriums Ligo (Laser Interferometer Gravitation Wave Observatory) in den USA erstmals überhaupt Gravitationswellen nachgewiesen worden. Vor 100 Jahren hatte Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie erklärt, dass Gravitation eine Eigenschaft des Raums ist, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Werden massereiche Körper beschleunigt, erzeugen sie der Theorie zufolge Gravitationswellen, die das Gefüge des Raums verformen – selbst bei großen Massen aber nur minimal. Deswegen braucht es hochpräzise Messgeräte in einer speziellen Anordnung, um sie nachzuweisen. eLISA soll diese Genauigkeit in neue Dimensionen verschieben. Dass das möglich ist, haben die Forscher mit dem Testlauf LISA Pathfinder ihrer Aussage zufolge nun nachgewiesen.

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Gravitationswellen nachgewiesen (8 Bilder)

[Update 07.06.2016 – 16:45 Uhr] In der kleinen Festveranstaltung zu Lisa Pathfinder am Albert-Einstein-Institut in Hannover wurden live per Streaming von der ESAC in Madrid die unerwartet guten Ergebnisse präsentiert. Die waren nicht nur besser als die Auslegung für die Hardware von Lisa Pathfinder, sondern sogar noch deutlich besser, als die weit höheren Anforderungen, die man für das geplante Weltraumprojekt Lisa aufgestellt hat. Die Werte erläuterte Gerhard Heinze, der ab dem Jahre 2001 das Lisa-Pathfinder-Projekt entwickelt hat, zusammen mit dem Direktor des Albert-Einstein-Instituts und Professor für Physik an der Leibniz Universität Hannover, Karsten Danzmann.

Man möchte Ruhe haben, richtig Ruhe, ganz viel Ruhe. Wenn ein Virus auf die Testmasse plumpste, so Danzmann, würde man das als einen Riesendonner im Interferometer "hören". Gelegentlich kollidiert noch das eine oder andere übrig gebliebene Gas-Molekül gegen eine Testmasse und sorgt so für Rauschen. Die Moleküle diffundieren aber allmählich in den Weltraum, sodass das Rauschen abnimmt. Selbst die Eigengravitation der Sonde stört, sie wird minutiös mit Ausgleichsgewichten für den Messraum weggetrimmt.

Bis Ende Juni wird noch gemessen, dann gibt es eine dreimonatige Pause, anschließend wird die NASA die wissenschaftliche Kontrolle übernehmen und eigene Experimente durchführen. Im nächsten Jahr soll es aber weitergehen, mit der ESA haben sich die Wissenschaftler bereits über eine achtmonatige Ausdehnung verständigt -- bis dann der Treibstoff nahezu alle ist. Ein wenig muss überbleiben, um die Sonde auf eine sichere Entsorgungsbahn zu lenken.

In der Pressekonferenz berichtete Prof. Danzmann auch, dass die NASA höchstwahrscheinlich wieder in das LISA-Projekt einsteigen wird. Hier wartet man offenbar noch die Präsidentschaftswahlen im November ab. Dass LISA doch mit drei Interferometer-Armen ausgestattet werden wird, gilt als sicher, zwischendurch war es aus Kostengründen auf nur zwei abgestrippt worden. Wir sind ready für 2028, so Danzmann zum Lisa-Projekt, das nach bisherigen Planungen den Vollbetrieb erst 2034/35 aufnehmen soll. Nach den Erfolgen und mit erneutem NASA-Engagement wird man es nun vielleicht sogar einige Jahre vorziehen. Weitere Erfolgsmeldungen gibt es möglicherweise schon bald. Wie der US- Astrophysiker Duncan Brown kürzlich auf einer Tagung in Hannover berichtete, wollen die Wissenschaftler dann die Ergebnisse des gesamten LIGO-Laufs O1 vorstellen. Man darf gespannt sein (as) / (mho)