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„Lisa Pathfinder“ Auf der Suche nach Gravitationswellen

Die ESA feiert den Erfolg von „Lisa Pathfinder“. Die Mission war ein Testlauf für den Bau eines geplanten riesigen Weltraum-Observatoriums zum Aufspüren von Gravitationswellen.

Gravitationswellen
Gravitationswellen können entstehen, wenn zwei gewaltige Schwarze Löcher verschmelzen. Foto: getty

Unsere wildesten Träume wurden übertroffen“, freut sich Paul McNamara. „Wir werden das weit entfernte Universum beobachten können.“ Was den Wissenschaftler der europäischen Weltraumorganisation Esa so ins Schwärmen bringt, sind die Ergebnisse von „Lisa Pathfinder“ – einer am Dienstagabend beendeten Mission, die als Probelauf für ein Großprojekt der Esa diente, das in 17 Jahren an den Start gehen soll: Konkret ging es darum, die Tauglichkeit der Schlüsseltechnologie für ein geplantes Weltall-Observatorium zum Erforschen von Gravitationswellen zu prüfen. Und dieser Test war, wie Paolo Ferri, Leiter des Missionsbetriebs bei der Esa, sagt, „ein voller Erfolg“: „In fast allen Bereichen hat die Mission die Erwartungen übertroffen, in manchen war sie sogar hundertmal besser als angenommen.“

„Lisa Pathfinder“ war am 3. Dezember 2015 vom europäischen Raumflughafen Kourou in Französisch-Guayana aus gestartet – zwei Monate, bevor öffentlich wurde, dass Forscher im September und Dezember 2015 erstmals ein Signal von Gravitationswellen einfangen konnten. Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit-Struktur, die entstehen, wenn beschleunigte Massen sich bewegen und zusammenschieben. Bei den beiden eingegangenen Signalen waren verschmelzende Schwarze Löcher die Ursache; Vorgänge, die jeweils mehr als eine Milliarde Jahre zurücklagen. Andere Quellen können Sternenexplosionen oder einander schnell umkreisende Neutronensterne sein.

Gravitationswellen direkt im Weltraum messen

Albert Einstein hatte 1915 die Existenz von Gravitationswellen postuliert, aber selbst nicht daran geglaubt, dass man diese Phänomene jemals würde nachweisen können. Die Wissenschaft erhofft sich von ihnen neue Erkenntnisse über Ereignisse im Universum und auch über dessen Ursprung. Geplant ist, dass das Gravitationswellen-Observatorium „Lisa“ (Laser Interferometer Space Antenna), dem die Pathfinder-Mission den Weg bereiten sollte, seinen Betrieb im Jahr 2034 aufnimmt; seit der ersten Idee für dieses Projekt werden dann fast 40 Jahre vergangen sein. Die veranschlagten Kosten liegen bei nach Ferris Angaben bei etwa einer Milliarde Euro.

Mit „Lisa“ wollen Wissenschaftler Gravitationswellen erstmals nicht von der Erde aus, sondern direkt im Weltraum messen. Das bringe gleich mehrere entscheidende Vorteile, sagt Paolo Ferri: „Auf der Erde gibt es immer Störungen, die sich nicht vollständig ausschalten lassen. Das Observatorium hingegen wird im Weltraum an einen Punkt gebracht, wo die Störungen nur minimal sind.“

Außerdem ließen sich dort auch niedrige Frequenzbereiche wahrnehmen. Diese können bei Gravitationswellen zwischen 10-18 und 104 Hertz liegen (zum Vergleich: Der Mensch nimmt Tonfrequenzen ab etwa 20 Hertz wahr). Und: Mit viel größeren Antennen, als sie auf der Erde möglich wären, lassen sich vom All aus die Fühler viel weiter ausstrecken.  

Wie das funktionieren kann? Das „Lisa“-Observatorium soll aus drei baugleichen Satelliten bestehen, die zu einem Dreieck formiert werden. Trifft eine Gravitationswelle auf dieses Konstrukt, so ändern sich dadurch die Abstände zwischen den Testmassen, die sich in den Sensoren der Satelliten befinden, minimal. „Diese unvorstellbar kleinen Abstandsänderungen sind gerade einmal so groß wie der Kern eines Wasserstoffatoms“, veranschaulicht es Hans-Georg Grothues, Projektleiter für „Lisa Pathfinder am Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum.

Mit „Lisa Pathfinder“ sollte ausprobiert werden, ob dieses Konzept eines Horchpostens im All funktionieren kann. Das Herzstück der Mission bildeten zwei kleine, jeweils zwei Kilogramm schwere Würfel mit einer Gold-Platin-Legierung, Vorläufer der Testmassen in den künftigen „Lisa“-Satelliten. Von einer Vega-Rakete war das Missionspaket an den Lagrange-Punkt L1 gebracht worden, der sich rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt Richtung Sonne befindet. Es ist ein Ort, wo sich die Anziehungskräfte beider Himmelskörper im Gleichgewicht befinden und der als „ungestörter Raum“ deshalb gut für die Tests geeignet war. Die beiden Würfel wurden am Lagrange-Punkt in freien Fall versetzt, wo sie abgeschirmt von allen Einflüssen allein der Wirkung der Gravitation unterlagen. Ebenfalls an Bord: ein Interferometer, das geringste Abweichungen der Positionen messen sollte. Das hat funktioniert, wie die Daten zeigen: Jetzt wisse man, dass man mit dieser „höchst empfindlichen“ Technik „winzige Änderungen im Abstand und damit auch Gravitationswellen“ nachweisen und untersuchen kann, erklärt Grothues.

Die Dimensionen von „Lisa Pathfinder“ gleichen freilich einem Miniaturformat im Hinblick auf das, was kommen soll: So betrug der Abstand zwischen den beiden Würfeln nur 38 Zentimeter, später sollen die Seiten des Satelliten-Dreiecks eine Länge von jeweils 2,5 Millionen Kilometern haben. Zudem soll das Observatorium der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne in einem Abstand von 50 Millionen Kilometern folgen – „Lisa Pathfinder“ tummelte sich nur 1,5 Millionen Kilometern weit weg.             

Deshalb wird es eben auch noch 17 Jahre dauern, bis „Lisa“ seinem Pfadfinder nachfolgt: „Wir haben die Tür geöffnet, aber es ist noch ein langer Weg, der uns zu den Gravitationswellen bringt“, sagt Paolo Ferri. Wenn das neue Observatorium dann aber erst einmal in Betrieb sei, werde sich der Menschheit ein „ganz neues Fenster in den Weltraum“ auftun, ist der Physiker überzeugt. Denn bis jetzt basierten alle Beobachtungen auf elektromagnetischen Wellen.
„Gravitationswellen sind etwas völlig anders. Es ist so, als würde man neue Ohren bekommen.“

Zur Zeit könne man mit Teleskopen nur bis zu zehn Millionen Jahre zurück in Galaxien schauen. „Vielleicht gelingt es uns, über die Gravitationswellen in die Anfänge des Universums hineinzuhören.“ Und vielleicht, sagt Paolo Ferri, werde man dann auch etwas entdecken, „was wir gar nicht erwarten, was wir uns noch gar nicht vorstellen können. Wir verstehen heute nur einen winzigen Bruchteil. Mit Lisa gehen wir den nächsten Schritt, es wird ein großer sein“.

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