Das erste weltraumgestützte Observatorium zur Erkennung von Gravitationswellen hat eine umfassende Überprüfung bestanden und wird mit dem Bau von Flughardware beginnen. Am 25. Januar gab die ESA (Europäische Weltraumorganisation) die offizielle Aufnahme von LISA, der Laser-Interferometer-Weltraumantenne, in ihre Missionspalette bekannt. Der Start ist für Mitte der 2030er Jahre geplant. Die ESA leitet die Mission, die NASA fungiert als Kooperationspartner.
„Im Jahr 2015 öffnete das bodengestützte LIGO-Observatorium das Fenster zu Gravitationswellen, Störungen, die durch die Raumzeit, das Gefüge unseres Universums, fegen“, sagte Mark Clampin, Direktor der Astrophysik-Abteilung im NASA-Hauptquartier in Washington. „LISA wird uns einen Panoramablick ermöglichen und es uns ermöglichen, ein breites Spektrum an Quellen sowohl innerhalb unserer Galaxie als auch weit, weit darüber hinaus zu beobachten. Wir sind stolz, Teil dieser internationalen Bemühungen zu sein, neue Wege zur Erforschung der Geheimnisse der Galaxie zu eröffnen Universum.“
Die NASA wird mehrere Schlüsselkomponenten des LISA-Instrumentenpakets sowie wissenschaftliche und technische Unterstützung bereitstellen. Zu den Beiträgen der NASA gehören Laser, Teleskope und Geräte zur Reduzierung von Störungen durch elektromagnetische Ladungen. LISA wird diese Ausrüstung verwenden, um durch Gravitationswellen verursachte Entfernungsänderungen über Millionen von Kilometern im Weltraum präzise zu messen. Die ESA wird das Raumschiff bereitstellen und das internationale Team während der Entwicklung und des Betriebs der Mission beaufsichtigen.
Gravitationswellen wurden vor mehr als einem Jahrhundert von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt. Sie werden durch die Beschleunigung von Massen erzeugt, beispielsweise durch ein Paar umlaufender Schwarzer Löcher. Da diese Wellen Orbitalenergie entfernen, verringert sich der Abstand zwischen den Objekten im Laufe der Millionen von Jahren allmählich und sie verschmelzen schließlich.
Die LISA-Mission wird die Beobachtung von Gravitationswellen ermöglichen, die durch die Verschmelzung supermassereicher Schwarzer Löcher entstehen, hier in einer Computersimulation. Die meisten großen Galaxien enthalten zentrale Schwarze Löcher, die millionenfach so viel wiegen wie unsere Sonne. Wenn diese Galaxien kollidieren, kommt es schließlich auch zu einer Kollision ihrer Schwarzen Löcher. Laden Sie ein hochauflösendes Video vom Scientific Visualization Studio der NASA herunter. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/Scott Noble; Simulationsdaten, d’Ascoli et al. 2018
Diese Wellen im Gefüge des Weltraums blieben bis 2015 unentdeckt, als LIGO, das von der US National Science Foundation finanzierte Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Gravitationswellen aus der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher maß. Diese Entdeckung förderte ein neues Wissenschaftsgebiet namens „Multimessenger-Astronomie“, in dem Gravitationswellen in Verbindung mit den anderen kosmischen „Boten“ – Licht und Teilchen – genutzt werden konnten, um das Universum auf neue Weise zu beobachten.
Zusammen mit anderen bodengestützten Einrichtungen hat LIGO seitdem Dutzende weitere Verschmelzungen von Schwarzen Löchern sowie Verschmelzungen von Neutronensternen und Neutronenstern-Schwarzen-Loch-Systemen beobachtet. Bisher waren die durch Gravitationswellen entdeckten Schwarzen Löcher relativ klein und hatten eine Masse, die zehn- bis vielleicht hundertmal so groß ist wie die unserer Sonne. Wissenschaftler glauben jedoch, dass Verschmelzungen viel massereicherer Schwarzer Löcher üblich waren, als das Universum noch jung war, und dass nur ein weltraumgestütztes Observatorium auf die von ihnen ausgehenden Gravitationswellen reagieren konnte.
„LISA wurde entwickelt, um niederfrequente Gravitationswellen zu erfassen, die Instrumente auf der Erde nicht erkennen können“, sagte Ira Thorpe, NASA-Studienwissenschaftler für die Mission am Goddard Space Flight Center der Agentur in Greenbelt, Maryland. „Diese Quellen umfassen Zehntausende kleiner binärer Systeme in unserer eigenen Galaxie sowie massive Schwarze Löcher, die bei der Kollision von Galaxien im frühen Universum verschmelzen.“
LISA wird aus drei Raumschiffen bestehen, die in einer riesigen Dreiecksformation fliegen und der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne folgen. Jeder Arm des Dreiecks erstreckt sich über 1,6 Millionen Meilen (2,5 Millionen Kilometer). Das Raumschiff wird interne Testmassen verfolgen, die nur von der Schwerkraft beeinflusst werden. Gleichzeitig feuern sie kontinuierlich Laser ab, um ihre Abstände auf einen Bereich zu messen, der kleiner als die Größe eines Heliumatoms ist. Gravitationswellen aus Quellen im gesamten Universum erzeugen Schwingungen in der Länge der Dreiecksarme, und LISA wird diese Änderungen erfassen.
Die zugrunde liegende Messtechnik wurde mit der LISA Pathfinder-Mission der ESA, die zwischen 2015 und 2017 lief und an der auch die NASA beteiligt war, erfolgreich im Weltraum demonstriert. Das Raumschiff demonstrierte die für LISA erforderliche hervorragende Steuerung und präzise Lasermessungen.