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Die Jagd nach Einsteins Gravitationswellen

in Aus der Welt der Wissenschaft 28.11.2015 09:34
von franzpeter | 8.079 Beiträge

Lisa-Pathfinder
Die Jagd nach Einsteins Gravitationswellen
Albert Einstein sagte vor rund 100 Jahren die Existenz von Gravitationswellen voraus, nachgewiesen hat man das Beben der Raumzeit bislang nicht. Ein Satellitenexperiment soll den Beweis endlich erbringen. Am Mittwoch (2. Dezember) startet der Satellit Lisa-Pathfinder, das den Weg dazu ebenen soll.
28.11.2015, von Manfred Lindinger

Der direkte Nachweis von Gravitationswellen ist vielleicht die größte Herausforderung der physikalischen Grundlagenforschung. Albert Einstein hatte auf diese periodischen Verzerrungen des Raumzeitgefüges im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie 1916 geschlossen, gleichwohl er selbst nicht ernsthaft daran glaubte, dass sich dieser winzige Effekt jemals beobachten lassen würde. Heute wird die Existenz von Gravitationswellen kaum mehr bestritten, obwohl diese sich bislang hartnäckig dem direkten Nachweis entzogen haben. Große Hoffnung setzen die Wissenschaftler auf die irdischen Gravitationswellenantennen Geo600 in Deutschland, Virgo in Italien und Ligo in den Vereinigten Staaten, die rund um die Uhr auf Empfang geschaltet sind, um Signale vom „Raumzeit-Beben“ aus den Tiefen des Weltalls einzufangen.


Manfred Lindinger
Autor: Manfred Lindinger, Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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Eine Wende bei der Suche nach Gravitationswellen soll aber schließlich die ambitionierte Weltraummission Lisa („Laser Interferometer Space Antenna„) bringen. Drei baugleiche Sonden bilden im Formationsflug ein riesiges gleichseitiges Dreieck und registrieren geringste Abstandsänderungen infolge der Einwirkung von Gravitationswellen.
In der kommenden Woche (2. Dezember) startet vom Weltraumbahnhof Korou in Französisch Guyana aus nun der Demonstrations-Satellit Lisa-Pathfinder ins All, der die aufwendige Messtechnik von Lisa im kleinen Maßstab erproben soll.


Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie entstehen Gravitationswellen immer dann, wenn Massen beschleunigt oder abgebremst werden. Sie sind aber nur von großen beschleunigten Massen messbar, wie sie im Kosmos existieren. Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit im Universum aus, ähnlich wie Wasserwellen in einem Teich, in den man einen Stein wirft. Typische Quellen für diese Wellen sind heftige Sternexplosionen (Supernovae), rotierende supermassive Schwarze Löcher, kompakte Neutronensterne beziehungsweise Schwarze Löcher, die sich umkreisen und ineinander stürzen. Aber auch beim Urknall und der kurzen Phase danach, bei der sich das Universum plötzlich stark ausdehnte, könnten Gravitationswellen entstanden sein, deren Spuren möglicherweise messbar sind.

Doppelsternsysteme emittieren Einsteins Wellen

Die Frequenzen der Raumschwingungen hängen im Wesentlichen von den Massen, die Gravitationswellen erzeugen. Sie umfassen ähnlich wie die elektromagnetische Strahlung einen großen Frequenzbereich, von Bruchteilen von Hertz bis einigen Dutzend Kilohertz. Die hochfrequenten Gravitationswellen schwingen also im akustischen Bereich. Sie wären im Prinzip hörbar. Die Amplituden der Gravitationswellen sind aber extrem klein. „Gravitationswellen transportieren zwar viel Energie,“ sagt Karsten Danzmann, einer der führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Gravitationswellenforschung. „Wenn in unserer Milchstraße eine Supernova kollabiert, dann werden wir überschüttet mit einem Kilowatt pro Quadratmeter an Gravitationswellen. Da der Raum aber recht steif ist, braucht es vergleichsweise große Energiemengen, um ihn nur ein klein wenig zusammenzuquetschen.“ Will man Gravitationswellen auf der Erde oder im Weltraum nachweisen, muss man eigentlich nur Längenänderungen messen und zwar präziser, als irgendetwas, was man jemals gemessen hat. „Die erdgebundenen Gravitationswellendetektoren haben mittlerweile eine Empfindlichkeit erreicht, dass Längenänderungen von einem Zehntausendstel Protonendurchmesser festgestellt werden können“, erklärt der Wissenschaftler vom Max Planck Institut für Gravitationsphysik und von der Leibniz Universität in Hannover.

Die ersten Versuche, Gravitationswellen aufzuspüren, unternahm Ende der fünfziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts der Amerikaner Joseph Weber. Er ließ tonnenschwere Aluminiumzylinder anfertigen, die durch Gravitationswellen zu Vibrationen angeregt werden sollten, ähnlich wie ein Hammerschlag eine Glocke zum Schwingen bringen. Mit hochempfindlichen Verstärkern wollte er die Oszillationen nachweisen. Allerdings waren sein Verfahren und alle späteren Experimente dieser Art bei Weitem nicht empfindlich genug. Deshalb bezweifelten viele Forscher, dass Gravitationswellen jemals nachgewiesen werden könnten. Anfang der siebziger Jahre erhielt das Forschungsgebiet allerdings wieder Aufschwung. Die Astrophysiker und späteren Nobelpreisträger Russell Hulse und Joseph Taylor hatten die Bewegung des Doppelsternsystems PSR 1913+16 viele Jahre lang studiert und fanden heraus, dass die beiden Neutronensterne Energie verlieren, was sich bestens mit der Aussendung von Gravitationswellen erklären ließ. Ein weiterer Hinweis gelang 2008 anhand der Beobachtung des Quasars OJ287, in dessen Zentrum sich wahrscheinlich zwei Schwarze Löcher umkreisen. Und im Jahr 2011 wurde das Doppelsternsystem mit der Kurzbezeichnung J0651 entdeckt, das Gravitationswellen abstrahlt. Ein extrem massereicher Neutronenstern – der Pulsar J0348+0432 – und ein Weißer Zwerg, die einander umkreisen, wurden im Jahr 2013 ebenfalls als eine Quelle für Gravitationswellen identifiziert.

Mit gigantischen Laserlinealen auf Wellenjagd

Seit gut zehn Jahren versucht man, mit gewaltigen Anordnungen, die nach dem Prinzip des von Michelson und Morley um 1880 entwickelten Interferometers funktionieren und Längenänderungen äußerst präzise messen können, die Gravitationswellen auf der Erde direkt nachzuweisen. So hat das Observatorium Geo600 bei Hannover zwei jeweils 600 Meter lange rechtwinklige Arme, in denen Laserstrahlen hin- und herlaufen und zur Überlagerung gebracht werden. Mit einem speziellen Spiegelsystem konnte man die Wegstrecke für die Laserstrahlen verdoppeln. „Virgo“ bei Pisa und die beiden amerikanischen „Ligo“-Antennen unweit von Hanford (Washington) und Livingstone (Louisiana) bringen es sogar auf Armlängen von drei beziehungsweise vier Kilometern. In Japan wird derzeit ein Interferometer „Kagra“ gebaut, das ähnlich lange Laserarme besitzt und in einem Bergmassiv in der Nähe der Stadt Hiba untergebracht ist. Es soll in zwei Jahren seinen Betrieb aufnehmen.

Obwohl die Empfindlichkeit der Detektoren immer wieder verbessert worden ist – seit September dieses Jahres ist die 2. Generation der Ligo-Antennen in Betrieb – verlief die Suche nach Gravitationswelle bisher ohne Erfolg. Der Hauptgrund: Die Ereignisse, die Virgo und Ligo nachweisen können (hochfrequente Gravitationswellen im Kilohertzbereich, erzeugt von Doppelsternsystemen oder Pulsaren), sind äußerst selten. Die berechneten Raten für die Ligo-Detektoren der ersten Generation belaufen sich zwischen maximal einem Ereignis pro Jahr und einem Ereignis in 500 Jahren. Deshalb wundert es Danzmann nicht wirklich, dass man bisher keine Signale registriert hat. Das könnte sich mit den Advanced-Ligo-Detektoren bald ändern, die Techniken nutzen, die maßgeblich bei Geo600 in Hannover entwickelt wurden.

„Dank der enormen Empfindlichkeitssteigerung der erdgebundenen Laserinterferometer können die beiden Ligo-Observatorien inzwischen bis eine Milliarde Lichtjahre tief ins All schauen und die Signale verschmelzender Schwarzer Löcher auffangen“, sagt Danzmann. Für verschmelzende Neutronensterne ist die Reichweite immerhin 200 Millionen Lichtjahre. Und in dieser Entfernung sollte es einige potentielle Quellen geben. „Viele meiner Kollegen sind davon überzeugt, dass bis Mitte Januar 2016 mindestens eins oder zwei Ereignisse im Kasten sein müssten.“ Ein weiterer Grund für den bislang ausbleibenden Erfolg sind störenden Rauschsignale. Die Gravitationswirkung der irdischen Störquellen lässt sich schließlich nicht abschirmen, sondern nur mühsam aus den gemessenen Daten herausfiltern. „Hier auf der Erde wackelt alles. Es gibt zu viele Rauschquellen Erdbeben, Autoverkehr und selbst die Blätter, die von Bäumen fallen, erzeugen gravitative Signale“, erklärt Danzmann.

Das störungsfreies Messlabor im Weltraum

Wenn man die Störquellen umgehen will, muss man die Interferometer in den Weltraum verlegen. Außerdem ist dort die Länge der Laserarme nicht mehr auf nur wenige Kilometer beschränkt. Dann lassen sich auch niederfrequente Gravitationswellen aufspüren, die auf der Erde nicht zugänglich sind. Den großen Durchbruch in der Gravitationswellenforschung erwartet die Physiker daher vom Weltraum-Interferometer „Lisa“ (Laser Interferometer Space Antenna). Es handelt sich um ein System aus drei Satelliten, die im Formationsflug ein gleichseitiges Dreieck von mehreren Millionen Kilometer Kantenlänge ausspannen. Das riesige Interferometer würde entlang der Erdbahn um die Sonne kreisen und alle niederfrequenten Gravitationssignale registrieren, die etwa von rotierenden Supermassiven Schwarzen Löchern stammen, möglicherweise auch aus der Frühphase des Universums stammen. Zwar arbeitet man seit rund 23 Jahren an dem Projekt, bis zum Start von Lisa werden sich Danzmann und seine Kollegen aber noch eine Weile gedulden müssen. Lisa ist als L3 -Mission im Rahmen des „Cosmic Vision“-Programms der Europäischen Raumfahrtagentur Esa erst für das Jahr 2034 vorgesehen. Es sollte ursprünglich schon viel früher auf den Weg geschickt werden. Als die amerikanische Raumfahrtbehörde Nasa aufgrund von Sparmaßnahmen aus dem gemeinsam mit der Esa geplanten Projekt im Jahr 2011 ausstieg, mussten die Europäer Lisa und zwei weitere Projekte des Cosmic Vision-Programms alleine stemmen. Die Esa wählte 2012 die Jupitermission „Juice“ zur L1-Mission (Start 2022), das Röntgenteleskop „Athena“ zur L2-Mission (Start 2028) und Lisa zur L3-Mission. Das letzte Wort ist für Danzmann aber noch nicht gesprochen. Der Start von Lisa konnte früher erfolgen, falls man neue zahlungskräftige Partner findet, oder die Nasa wieder einsteigt.

Weil man mit dem Weltraum-Interferometer wissenschaftliches und technisches Neuland betritt hat man bereits früh das Demonstrationsprojekt „Lisa-Pathfinder“ ersonnen. Lisa-Pathfinder ist Lisa gewissermaßen im Labormaßstab. Stationiert wird Lisa-Pathfinder, wenn der Start am kommenden Mittwoch planmäßig verläuft, im Lagrangepunkt 1. Dort in 1,5 Millionen Kilometer Entfernung heben sich Anziehungskräfte zwischen Erde und Sonne fast auf. Experimente sind zudem keinen größeren Temperaturschwankungen und nur geringen Störungen durch Schwerkrafteffekte ausgesetzt.

Präzisionstests in der Schwerelosigkeit

Lisa-Pathfinder ist ein 2 mal 1 Meter großer und 450 Kilogramm schwerer Satellit, der in seinem Inneren zwei schwebenden kubische Testmassen aus einer Gold-Platin-Legierung birgt. Der Satellit folgt den beiden jeweils zwei Kilogramm schweren Testmassen in seinem Inneren, die auf ihrer eigenen Umlaufbahn frei fliegen. Mit einem Laserinterferometer misst man nun, wie sich unter bestimmten Bedingungen der Abstand der beiden Massen zueinander verändert. „Man bestimmt die Position der Testmassen wie später bei Lisa“, erklärt Danzmann. „Nur, dass bei Lisa Millionen Kilometer zwischen den Proben liegen und nur 38 Zentimeter bei Lisa-Pathfinder.“ Ein zweites Laserinterferometer bestimmt zudem die Position einer der beiden Testmassen relativ zum Satelliten. Mit den Daten wird ein Lagekontrollsystem gefüttert, das dafür sorgt, dass der Satellit genau auf dieser Testmasse zentriert bleibt und ihr folgt. „Das Verfahren wurde ursprünglich dazu entwickelt, Satelliten in der Erdumlaufbahn gegenüber der Luftreibung zu stabilisieren. Im Weltraum gibt es natürlich keine Luft, dafür aber den Strahlungsdruck der Sonne.“ Das Licht der Sonne bombardiert den Satelliten und rüttelt ständig an ihm. Gegen diese Störung stabilisiert man den Satelliten mit Kontrolldüsen. Dafür reichen einige zehn Mikronewton an Schub, was etwa der Gewichtskraft eines Sandkorns auf der Erde entspricht

Gravitationswellen kann Lisa-Pathfinder selbst nicht aufspüren, dafür ist der Abstand der Testmassen viel zu klein. Das ist aber auch nicht der Zweck dieser Mission, die für sechs Monate ausgelegt ist. „Wir werden alle physikalischen Prozesse detailliert untersuchen, die die Empfindlichkeit eines weltraumgestützten Interferometers begrenzen und ihre Wirkung vermessen.“ Dazu zählen die Steifheit der elektrostatischen Aufhängung der Testmassen, den Einfluss der Eigengravitation der Testmassen, elektrische, magnetische Streufelder, die Wirkung des Satelliten durch dessen eigene Schwerkraft auf die Testmassen, Restgaseffekte. Alle Parameter werden nach einem akribisch ausgearbeiteten Plan erfasst und mit den theoretischen Werten verglichen, die man bereits aus Modellrechnungen erhalten hat. „Das Ergebnis ist ein detailliertes physikalisches Modell aller Rauschprozesse, die die Messgenauigkeit weltraumgestützter Interferometer beeinflussen können“, sagt Danzmann. Und natürlich wird ein Großteil der Technologie für Lisa mit dem Demonstrationsprojekt getestet.

Sieben europäische Nationen und die Nasa (sie betreibt ein eigenes Experiment) sind an der 430 Millionen Euro teuren Mission beteiligt. Die Erwartungen sind deshalb groß. Danzmann, der mit seinem italienischen Kollegen Stefano Vitale von der Universität Trient die Entwicklung von Lisa-Pathfinder seit 1998 vorangetrieben hat, wird den Start am 2. Dezember vor Ort verfolgen. Um 5.15 Uhr mitteleuropäischer Zeit soll Lisa-Pathfinder an Bord einer Vega-Trägerrakete abheben und zunächst in eine Parkumlaufbahn gebracht werden. Knapp zwei Stunden später erfolgt die Separation des Satelliten mit seinem Vortriebsmodul von der vierten Stufe der Trägerrakete und ein Test aller Systeme. Diese wird einige Tag in Anspruch nehmen. Vom 6. Dezember an befördern die Flugingenieure des europäischen Satellitenkontrollzentrums Esoc der Esa in Darmstadt Lisa-Pathfinder schrittweise in immer höhere Umlaufbahnen. Sechs Mal wird dazu das Haupttriebwerk des Vorschubmoduls gezündet. Beim sechsten Mal verlässt der Flugkörper die Erdumlaufbahn. Dann driftet er 40 Tage lang bis zum 1,5 Millionen Kilometer entfernten Lagrange-Punkt 1. Nach einem Korrekturmanöver wird das Vortriebsmodul schließlich abgesprengt. Von da an ist Lisa-Pathfinder auf sich alleine gestellt. Am 15. oder 16. Februar kommenden Jahres folgt der entscheidende Augenblick: Dann werden die beiden bis dahin mechanisch fixierten Testmassen freigelassen. Von da an übernehmen Danzmann und seine Kollegen die Kontrolle von Lisa-Pathfinder für die kommenden Monate. Dafür werden sie sich vor allem in Darmstadt beim Esoc aufhalten.

Gemessen wird dann rund um die Uhr. Sind alle Daten im Kasten, wollen die Physiker die Kontrollspannungen abschalten und das Fallgesetz an den Testmassen überprüfen. Wie einst Galileo vom schiefen Turm in Pisa zwei verschiedene Kugeln in die Tiefe fallen ließ und feststellte, dass sie gleichzeitig unten ankamen, unabhängig von ihrer Beschaffenheit und ihrer Masse. wird man die beiden Testmassen im Inneren von Lisa-Pathfinder sich selbst überlassen und den freien Fall studieren. Die geringste Abweichungen vom Fallgesetz lassen sich bis auf 15 Zehnerpotenzen genau messen.

Quelle: FAZ


Mit freundlichen Grüßen
franzpeter
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