Obwohl es außerordentlich schwierig ist, Gravitationswellen beim ersten Mal zu entdecken, können sie mithilfe vieler verschiedener Techniken gefunden werden. Die mittlerweile berühmte erste Entdeckung bei LIGO im Jahr 2015 war nur eine der verschiedenen Methoden, mit denen Wissenschaftler gesucht hatten.
Ein neues Papiererschienen auf dem Preprint-Server arXivvon Forschern aus Europa und den USA schlägt vor, wie Wissenschaftler durch die Verfolgung der genauen Position des kommenden Uranus Orbiter and Probe (UOP) möglicherweise noch mehr davon aufspüren könnten.
UOP wurde ursprünglich von der Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey der NASA vorgeschlagen und soll die erste Mission zum Uranus sein, seit Voyager das System 1986 besuchte. Wenn die Sonde nach einem Starttermin im Jahr 2031 im Jahr 2044 endlich eintrifft, wird es fast 60 Jahre her sein, seit die Menschheit das letzte Mal einen Blick aus der Nähe auf das Uranussystem werfen konnte.
Aber 13 Jahre im Transit sind sicher eine lange Zeit. Ein Teil dieser Zeit wird für den Gravitationsschub von Jupiter benötigt, die meiste Zeit wird er jedoch zwischen Planetenkörpern verbringen. Und diese Zeit zwischen den Planeten wollen die Autoren des Artikels nutzen, um nicht-uranische Wissenschaft zu betreiben.
Gravitationswellen können das Gefüge von Raum und Zeit stören und wahrnehmbare Verzerrungen verursachen, insbesondere über große Entfernungen. Wenn die betreffenden Instrumente empfindlich genug sind, wäre die enorme Entfernung zwischen UOP und der Erde eine praktikable Möglichkeit, sie zu erkennen.
Dies ist nicht das erste Mal, dass die Nutzung der Entfernung zwischen einer Raumsonde und der Erde zur Erkennung von Gravitationswellen in Betracht gezogen wurde. Bei Pioneer 11, Cassini und einer Triangulation von Galileo, Ulysses und Mars Orbiter gab es Vorschläge, auf dem Weg zu ihren endgültigen Zielen zur Erkennung von Gravitationswellen eingesetzt zu werden. Die Ausrüstung, mit der sie ausgestattet waren, war jedoch nicht empfindlich genug, um die winzigen Schwankungen zu erfassen, die für eine tatsächliche Erkennung erforderlich sind.
UOP wird den zusätzlichen Vorteil haben, dass die Ausrüstung seit Jahrzehnten verbessert wird, insbesondere die Kommunikations- und Zeitmesselektronik, die für die Erkennung von Gravitationswellen von entscheidender Bedeutung ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass wir bereits offiziell eine Gravitationswelle entdeckt haben und daher zumindest wissen, wonach wir suchen müssen.
Der zugrundeliegende Mechanismus ist recht einfach: Man verfolgt die genaue Position von UOP während seiner 13-jährigen Reise zum Uranus konsequent und vergleicht etwaige Anomalien in seiner Position mit bekannten Ursachen, wie sie zu erwarten wären. Dazu gehören die Gravitationskraft einiger Planeten oder sogar Asteroiden und der Sonnenstrahlungsdruck auf die Raumsonde selbst.
Wie die Autoren anmerken, könnten einige oder sogar alle dieser Faktoren Einfluss auf die genaue Position der Raumsonde haben. Damit die Berechnungen zur Erkennung von Gravitationswellen effektiv funktionieren, muss deren Einfluss (sofern überhaupt) besser berücksichtigt werden.
Es gibt jedoch noch eine andere, möglicherweise wissenschaftlich interessante Ursache für die leichte Positionsverschiebung des UOP: ultraleichte dunkle Materie. Theoretisch könnte UOP verwendet werden, um eine Form dunkler Materie, die als ultraleichte dunkle Materie bekannt ist, zu testen oder sogar direkt zu erkennen, falls sie im Sonnensystem existiert.
Theoretiker haben zahlreiche Modelle entwickelt, die zeigen, wie es funktionieren würde, wenn es existierte. UOP könnte dieselbe Art exakter Positionsberechnung ebenfalls nutzen, um zur wissenschaftlichen Forschung beizutragen.
Und das Beste ist: UOP kann all dies tun, ohne dass seine Hauptaufgabe – die Erforschung des Uranus-Systems – geändert werden muss. Alles, was an der Mission geändert werden müsste, wäre, die Erde während der 13 Jahre dauernden Reise zu UOPs endgültigem Ziel etwa alle 10 Sekunden mit konsistenten Positionsdaten zu versorgen.
Angenommen, es besteht die Möglichkeit, dass diese häufigeren Check-Ins mit der Heimat helfen könnten, Gravitationswellen oder möglicherweise dunkle Materie zu entdecken. In diesem Fall scheint es für die Planer der UOP-Mission durchaus eine Überlegung wert zu sein – es bleibt jedoch abzuwarten, ob es einbezogen wird oder nicht. Die Autoren des Artikels haben überzeugende Argumente dafür vorgebracht, warum dies der Fall sein sollte.
Mehr Informationen:
Lorenz Zwick et al., Überbrückung der Mikro-Hz-Gravitationswellenlücke durch Doppler-Tracking mit der Uranus Orbiter and Probe Mission: Massive Doppelsterne schwarzer Löcher, Signale aus dem frühen Universum und ultraleichte dunkle Materie, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2406.02306