Aus diesem Grund sollten wir ein Gravitationswellen-Observatorium auf dem Mond errichten

Wissenschaftler entdeckten die erste seit langem vorhergesagte Gravitationswelle im Jahr 2015 und seitdem hungern Forscher nach besseren Detektoren. Aber die Erde ist warm und seismisch laut, und das wird die Wirksamkeit erdbasierter Detektoren immer einschränken.

Ist der Mond der richtige Ort für ein neues Gravitationswellen-Observatorium? Es könnte sein. Teleskope in den Weltraum zu schicken hat gut funktioniert, und die Installation eines GW-Observatoriums auf dem Mond könnte auch gut funktionieren, obwohl der Vorschlag offensichtlich sehr komplex ist.

Der größte Teil der Astronomie dreht sich um Licht. Je besser wir sie spüren können, desto mehr erfahren wir über die Natur. Deshalb befinden sich Teleskope wie das Hubble und das JWST im Weltraum. Die Erdatmosphäre verzerrt Teleskopbilder und blockiert sogar einiges Licht, beispielsweise Infrarot. Weltraumteleskope umgehen diese beiden Probleme und haben die Astronomie revolutioniert.

Gravitationswellen sind kein Licht, aber ihre Wahrnehmung erfordert dennoch äußerste Sensibilität. So wie die Erdatmosphäre „Rauschen“ in Teleskopbeobachtungen einbringen kann, kann auch die seismische Aktivität der Erde Probleme für Gravitationswellendetektoren verursachen. Der Mond hat gegenüber unserem dynamischen, sich ständig verändernden Planeten einen großen Vorteil: Er weist weitaus weniger seismische Aktivität auf.

Wir wissen seit den Apollo-Tagen, dass der Mond seismische Aktivität aufweist. Aber im Gegensatz zur Erde hängt der Großteil seiner Aktivität mit Gezeitenkräften und winzigen Meteoriteneinschlägen zusammen. Der größte Teil seiner seismischen Aktivität ist außerdem schwächer und viel tiefer als die der Erde. Das hat die Aufmerksamkeit von Forschern erregt, die die Lunar Gravitational-Wave Antenna (LGWA) entwickeln.

Die Entwickler der LGWA haben eine geschrieben neues Papier„The Lunar Gravitational-wave Antenna: Mission Studies and Science Case“, und veröffentlichte es auf der arXiv Preprint-Server. Der Hauptautor ist Parameswaran Ajith, ein Physiker/Astrophysiker vom International Center for Theoretical Science, Tata Institute of Fundamental Research, Bangalore, Indien. Ajith ist außerdem Mitglied der LIGO Scientific Collaboration.

Ein Gravitationswellenobservatorium (GWO) auf dem Mond würde eine Lücke in der Frequenzabdeckung schließen.

„Angesichts der Größe des Mondes und des erwarteten Lärms, der durch den seismischen Hintergrund des Mondes erzeugt wird, wäre die LGWA in der Lage, GWs von etwa 1 MHz bis 1 Hz zu beobachten“, schreiben die Autoren. „Dies würde die LGWA zum fehlenden Bindeglied zwischen weltraumgestützten Detektoren wie LISA mit Spitzenempfindlichkeiten um einige Millihertz und geplanten zukünftigen terrestrischen Detektoren wie dem Einstein-Teleskop oder dem Cosmic Explorer machen.“

Wenn die LGWA gebaut würde, würde sie aus einer Anordnung von Detektoren im Planetenmaßstab bestehen. Die einzigartigen Bedingungen des Mondes werden es der LGWA ermöglichen, ein größeres Fenster in die Gravitationswellenwissenschaft zu öffnen. Der Mond weist eine extrem geringe seismische Hintergrundaktivität auf, die die Autoren als „seismische Stille“ bezeichnen. Das Fehlen von Hintergrundgeräuschen wird empfindlichere Erkennungen ermöglichen.

Der Mond hat auch extrem niedrige Temperaturen in seinen permanent beschatteten Regionen (PSRs). Detektoren müssen unterkühlt werden, und die kalten Temperaturen in den PSRs erleichtern diese Aufgabe. Die LGWA würde aus vier Detektoren in einem PSR-Krater an einem der Mondpole bestehen.

Die LGWA ist eine ehrgeizige Idee mit einem möglicherweise bahnbrechenden wissenschaftlichen Nutzen. In Kombination mit Teleskopen, die das gesamte elektromagnetische Spektrum beobachten, sowie mit Neutrino- und kosmischen Strahlungsdetektoren – sogenannte Multi-Messenger-Astronomie – könnte es unser Verständnis einer ganzen Reihe kosmischer Ereignisse verbessern.

Die LGWA wird über einige einzigartige Fähigkeiten zur Erkennung kosmischer Explosionen verfügen. „Nur LGWA kann astrophysikalische Ereignisse beobachten, an denen WDs (Weiße Zwerge) beteiligt sind, wie Tidal Disruption Events (TDEs) und SNe Ia“, erklären die Autoren. Sie weisen auch darauf hin, dass nur die LGWA in der Lage sein wird, Astronomen Wochen oder sogar Monate im Voraus vor der Verschmelzung kompakter Doppelsterne mit Sonnenmasse, einschließlich Neutronensternen, zu warnen.

Die LGWA wird auch in der Lage sein, leichtere Doppelsterne von Schwarzen Löchern mittlerer Masse (IMBH) im frühen Universum zu entdecken. IMBHs spielten eine Rolle bei der Entstehung der heutigen supermassiven Schwarzen Löcher (SMBHs) im Herzen von Galaxien wie unserer eigenen. Astrophysiker haben viele unbeantwortete Fragen zu Schwarzen Löchern und ihrer Entwicklung, und die LGWA sollte bei der Beantwortung einiger dieser Fragen helfen.

Auch die Verschmelzung von Doppelweißen Zwergen (DWD) außerhalb unserer Galaxie ist eine weitere Sache, die nur die LGWA wahrnehmen kann. Sie können zur Messung der Hubble-Konstante verwendet werden. Im Laufe der Jahrzehnte haben Wissenschaftler verfeinerte Messungen der Hubble-Konstante erhalten, es gibt jedoch immer noch Diskrepanzen.

Die LGWA wird uns auch mehr über den Mond erzählen. Seine seismischen Beobachtungen werden die innere Struktur des Mondes detaillierter als je zuvor enthüllen. Viele Wissenschaftler wissen noch immer nichts über seine Entstehung, Geschichte und Entwicklung. Die seismischen Beobachtungen der LGWA werden auch die geologischen Prozesse auf dem Mond beleuchten.

Die LGWA-Mission befindet sich noch in der Entwicklung. Bevor es umgesetzt werden kann, müssen Wissenschaftler mehr darüber wissen, wo sie es platzieren wollen. Hier kommt die vorläufige Soundcheck-Mission ins Spiel.

Im Jahr 2023 hat die ESA Soundcheck in ihren Reservepool für wissenschaftliche Aktivitäten für den Mond aufgenommen. Soundcheck wird nicht nur die seismische Oberflächenverschiebung, magnetische Schwankungen und die Temperatur messen, sondern auch eine Technologiedemonstrationsmission sein. „Die Validierung der Soundcheck-Technologie konzentriert sich auf den Einsatz, die Mechanik und Auslesung von Trägheitssensoren, das Wärmemanagement und die Plattformnivellierung“, erklären die Autoren.

In der Astronomie, Astrophysik, Kosmologie und verwandten wissenschaftlichen Unternehmungen scheint es immer so, als stünden wir am Abgrund neuer Entdeckungen und eines neuen Verständnisses des Universums und unserer Rolle darin. Der Grund dafür, dass es immer so scheint, ist, dass es wahr ist. Die Menschen werden immer besser darin, und das Aufkommen und Aufblühen der GW-Wissenschaft ist ein Beispiel dafür, auch wenn wir gerade erst anfangen. Es ist noch nicht einmal ein Jahrzehnt vergangen, seit Wissenschaftler ihr erstes GW entdeckt haben.

Wie wird es von hier aus weitergehen?

„Trotz dieser gut entwickelten Roadmap für die GW-Wissenschaft ist es wichtig zu erkennen, dass die Erforschung unseres Universums durch GWs noch in den Kinderschuhen steckt“, schreiben die Autoren in ihrem Artikel. „Zusätzlich zu den erwarteten immensen Auswirkungen auf die Astrophysik und Kosmologie birgt dieses Gebiet eine hohe Wahrscheinlichkeit für unerwartete und grundlegende Entdeckungen.“