Die Wissenschaft der Erforschung von Gravitationswellen hat dank der Europäischen Weltraumorganisation gerade einen großen Aufschwung erfahren. Sein Wissenschaftsprogrammausschuss hat gerade die Laser-Interferometer-Weltraumantenne – liebevoll LISA genannt – für die offizielle Planung und den Bau genehmigt. Das bedeutet, dass Gravitationswellenastronomen ihre nächsten Schritte unternehmen werden, um Informationen über Gravitationswellen aus dem Weltraum zu erfassen.
LISA – oder so ähnlich – ist seit den 1980er Jahren in Planung. Das derzeitige LISA-Observatorium wurde etwa ein Jahrzehnt später vorgeschlagen und Wissenschaftler führten eine „Pfadfindermission“ durch, um seinen grundsätzlichen Entwurf zu testen. Jetzt soll es sich um einen vollwertigen Satz von drei Raumfahrzeugen handeln, die im Jahr 2035 starten sollen und die Gravitationswellenforschung revolutionieren dürften.
Die Raumschiffkonstellation wird in einer erdähnlichen heliozentrischen Umlaufbahn in drei verschiedene Positionen manövrieren. Im Wesentlichen bilden sie ein Dreieck, das durch Laserstrahlen verbunden ist, die jeweils 2,5 Millionen Kilometer durch den Weltraum schießen. Diese Strahlen werden die wichtigsten Gravitationswellendetektoren sein. Wenn eine Welle vorbeiläuft, verändert sie die Länge jedes Laser-„Arms“.
Hochentwickelte Instrumente an Bord zeichnen die Veränderungen auf und senden diese Daten zur Analyse an die Erde zurück. Die unterschiedlichen Längenänderungen jedes Arms werden den Wissenschaftlern wichtige Informationen über die Objekte liefern, die kollidierten, um die Wellen zu erzeugen. Wenn alles gut geht, wird LISA das erste weltraumgestützte Observatorium sein, das sich ausschließlich diesen Wellen im Gefüge der Raumzeit widmet.
Die nächsten Schritte
Die Entscheidung, LISA voranzutreiben, ist ein formeller Schritt, der „Adoption“ genannt wird. Im Grunde heißt es, dass die Technologie für die Mission sowie das Konzept und der Zeitplan einsatzbereit sind. Dadurch kann die Agentur mit dem Bau des Raumfahrzeugs und seiner Instrumentierung fortfahren. Von diesem Zeitpunkt an ist es der Agentur nun freigestellt, Auftragnehmer für die Fertigung anzuwerben und auszuwählen. Der Design- und Montageprozess könnte bereits im Januar 2025 beginnen.
Laut der leitenden Projektwissenschaftlerin Nora Lützgendorf wird die Entwicklung von LISA nicht einfach sein. „LISA ist ein Unterfangen, das noch nie zuvor versucht wurde“, sagte sie. „Durch den Einsatz von Laserstrahlen über Entfernungen von mehreren Kilometern können bodengestützte Instrumente Gravitationswellen erkennen, die von Ereignissen mit sterngroßen Objekten ausgehen – wie etwa Supernova-Explosionen oder der Verschmelzung von Sternen mit hoher Dichte und Schwarzen Löchern mit Sternmasse. Um die Grenze zu erweitern Für Gravitationsstudien müssen wir in den Weltraum fliegen. Dank der riesigen Distanz, die die Lasersignale auf LISA zurücklegen, und der hervorragenden Stabilität seiner Instrumente werden wir Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen untersuchen, als dies auf der Erde möglich ist, und Ereignisse anderer Größenordnung aufdecken. den ganzen Weg zurück bis zum Anbeginn der Zeit.
LISA vor äußeren Einflüssen im Weltraum schützen
Natürlich stellt der Weltraum die Mission der Raumsonde vor besondere Herausforderungen. In dieser Hinsicht sieht sich LISA mit ähnlichen Problemen konfrontiert, mit denen LIGO und andere vor Ort konfrontiert sind. Beispielsweise stört das Rumpeln des Bodens durch vorbeifahrende schwere Lastwagen die LIGO-Instrumente. Das bedeutet, dass die Wissenschaftler alle nicht durch Gravitationswellen verursachten Störungen herausfiltern müssen.
Zum Glück gibt es keine Lastwagen im Weltraum, aber LISA wird einigen Kräften ausgesetzt sein, die keine Gravitationswellen sind, wie zum Beispiel Lichtdruck und Sonnenwind. Wissenschaftler werden diese mit einigen sehr cleveren Raumfahrzeugkonstruktionen umgehen. Jedes der drei Schiffe wird mit Teleskopen, Lasern und Testmassen aus goldbeschichtetem Gold und Platin ausgestattet sein.
Um die Testmassen vor äußeren Einflüssen zu schützen (die die Massen „herumschieben“ können), schweben sie frei im Raumschiff. Die Außenrümpfe des Bootes absorbieren die äußeren Einflüsse. Triebwerke werden die Position des Raumfahrzeugs anpassen und verhindern, dass die Massen etwas anderes als die Gravitationswellen des Ziels erfahren. Das Ergebnis sollte eine sehr „saubere“ Erfassung von Gravitationswellendaten von entfernten Objekten und Ereignissen im Universum sein.
Die Gravitationswellenziele von LISA
Diese komplizierte Mission sollte in der Lage sein, die Wellen in der Raumzeit zu erfassen, die entstehen, wenn massive Objekte kollidieren. Dazu gehören auch die Verschmelzungen supermassereicher Schwarzer Löcher im Herzen von Galaxien. In unserer eigenen Galaxie soll LISA die Verschmelzung von Weißen Zwergen oder Neutronensternen erkennen können. Seine Daten sollen Astronomen genaue Informationen über die Entfernungen zu diesen Ereignissen und sogar über deren Standorte liefern.
„Seit Jahrhunderten erforschen wir unseren Kosmos durch die Erfassung von Licht. Die Verbindung mit der Erkennung von Gravitationswellen bringt eine völlig neue Dimension in unsere Wahrnehmung des Universums“, sagte LISA-Projektwissenschaftler Oliver Jennrich. „Wenn wir uns vorstellen, dass wir mit unseren Astrophysik-Missionen bisher den Kosmos wie einen Stummfilm beobachtet haben, wird die Erfassung der Wellen der Raumzeit mit LISA ein echter Game-Changer sein, so wie damals, als den Filmen Ton hinzugefügt wurde.“
Eine sehr spannende Möglichkeit, die LISA ermöglichen könnte, ist die Erkennung der allerersten Sekunden nach dem Urknall. Das liegt daran, dass die Gravitationswellen dieses bahnbrechenden Ereignisses Informationen über Entfernung und Intensität übertragen. Darüber hinaus werden LISA-Daten den Astronomen auch dabei helfen, die Expansionsrate des Universums im Laufe der Zeit zu messen. Wenn all dies geschieht, wird sich die Nützlichkeit von Gravitationswellen als einzigartige Methode zur Messung von Dingen im Kosmos beweisen.