Der erstmalige Nachweis von Gravitationswellen (GW) durch Forscher des Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) im Jahr 2015 löste eine Revolution in der Astronomie aus. Dieses Phänomen besteht aus Wellen in der Raumzeit, die durch die Verschmelzung massiver Objekte verursacht werden, und wurde ein Jahrhundert zuvor von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt. In den kommenden Jahren wird dieses aufkeimende Gebiet dank der Einführung von Observatorien der nächsten Generation wie der Laser Interferometer Space Antenna (LISA) erheblich vorankommen.
Mit größerer Empfindlichkeit werden Astronomen in der Lage sein, GW-Ereignisse bis zu ihrer Quelle zurückzuverfolgen und sie zu verwenden, um das Innere exotischer Objekte und die Gesetze der Physik zu untersuchen. Als Teil ihres Voyage 2050-Planungszyklus erwägt die Europäische Weltraumorganisation (ESA) Missionsthemen, die bis 2050 fertig sein könnten – einschließlich der GW-Astronomie. In einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung stellten Forscher der Missionsanalyseabteilung der ESA und der Universität Glasgow ein neues Konzept vor, das auf LISA aufbauen würde – bekannt als LISAmax. Wie sie berichten, könnte dieses Observatorium die GW-Empfindlichkeit möglicherweise um zwei Größenordnungen verbessern.
Die Forschung wurde von Dr. Waldemar Martens, theoretischer Physiker, einem Missionsanalytiker im Europäischen Raumfahrtkontrollzentrum (ESOC) der ESA in Darmstadt, Deutschland, geleitet. Zu ihm gesellten sich der Luft- und Raumfahrtingenieur und Astrophysiker Michael Khan, ebenfalls Missionsanalyst am ESOC, und der Astrophysiker Dr. Jean-Baptiste Bayle, ein Forschungsstipendiat für Astronomie und Astrophysik an der Universität Glasgow. Das Papier, das ihre Ergebnisse beschreibt, erschien online auf der arXiv Preprint-Server vor kurzem und wird derzeit von der Zeitschrift für die Veröffentlichung geprüft Klassische und Quantengravitation.
Seit sie 2015 erstmals von LIGO-Wissenschaftlern entdeckt wurden, haben Forscher mit LIGO und anderen Observatorien weltweit die Arten von GW-Ereignissen verfeinert, die sie erkennen können. Dazu gehören das Virgo-Observatorium in Italien (in der Nähe von Pisa) und der Kamioka-Gravitationswellendetektor (KAGRA) in Hida, Japan. Diese Observatorien sind seitdem Partner von LIGO und bilden die Ligo-Virgo-KAGRA (LVK) Collaboration. Die Bemühungen dieser und anderer Observatorien sowie Upgrades, die zu einer erhöhten Empfindlichkeit geführt haben, haben die Anzahl der erkannten Ereignisse vervielfacht und einige sogar bis zu ihren Quellen zurückverfolgt.
Wie Dr. Martens Universe Today per E-Mail mitteilte, war diese Pionierarbeit von unschätzbarem Wert. Aber wie bei allen Formen der Astronomie hängt der zukünftige Fortschritt teilweise davon ab, Observatorien im Weltraum zu haben:
„Nachdem Gravitationswellen zweifelsfrei gemessen werden können, wollen Astronomen sie als zusätzliche Informationsquelle nutzen, wo bisher nur elektromagnetische Wellen verfügbar waren. Erdgebundene Detektoren wie LIGO/Virgo/Kagra sind im Frequenzbereich empfindlich von einigen zehn Hertz bis zu mehreren Kilohertz, was sie empfindlich gegenüber Quellen wie der Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit einigen zehn Sonnenmassen macht.
„Es ist jedoch bekannt, dass im Zentrum von Galaxien viel größere Objekte wie supermassive Schwarze Löcher (>10^6 Sonnenmassen) existieren. Verschmelzungen dieser Objekte erzeugen Gravitationswellen weit unterhalb des empfindlichen Bandes erdbasierter Detektoren . Um sie zu sehen, müssen wir in den Weltraum fliegen und ein Observatorium wie LISA bauen, das eine Armlänge von 2,5 Millionen km hat.“
Bisher haben Astronomen GW-Ereignisse entdeckt, die von binären Schwarzen Löchern (BBHs) oder binären Neutronensternen (Kilonova-Ereignissen) verursacht wurden, bei denen die umkreisenden Körper schließlich verschmolzen. Es wird auch angenommen, dass es viele andere potenzielle Quellen gibt, und die Untersuchung dieser Ereignisse könnte unser Verständnis des Universums verbessern. „Dazu gehören urzeitliche Gravitationswellen, die bei Prozessen Sekundenbruchteile nach dem Urknall entstanden sind“, sagt Dr. Martens. „Wir hoffen, dass LISA diese erkennen kann, aber es ist noch nicht klar. Das ist einer der Gründe, warum Detektoren mit höherer Empfindlichkeit und/oder anderen Frequenzbändern für Voyage 2050 in Betracht gezogen werden.“
Die Voyager 2050 ist der neueste Planungszyklus, der Teil des wissenschaftlichen Programms der Agentur, der Grundlage und des wichtigsten „obligatorischen Programms“ der Europäischen Weltraumorganisation wird. Alle Mitgliedsstaaten müssen einen Beitrag leisten, und wissenschaftliche Ziele, Vorschläge und Finanzierung werden durch einstimmigen Beschluss ausgewählt. Diese Zyklen zielen darauf ab, einen langfristigen Finanzierungshorizont festzulegen, der es den Mitgliedstaaten ermöglicht, ihre Prioritäten weit im Voraus zu planen und der europäischen Wissenschaftsgemeinschaft eine klare Vorstellung davon zu geben, welche Forschungsbereiche Investitionen und Entwicklung verdienen.
Seit den 1980er Jahren wurde das Programm mit Zyklen von etwa 20 Jahren geplant, was dem Zeitaufwand entspricht, der für die Vorbereitung ambitionierter Weltraummissionen erforderlich ist. Der erste Planungszyklus (Horizon 2000) wurde 1984 eingerichtet und bestand aus Entscheidungen, die von Mitte 1990 bis Anfang des 21. Jahrhunderts zu den Missionen Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), Cluster, Rosetta, XMM-Newton und Herschel führten. 2005 wurde ein weiterer Planungszyklus (Cosmic Vision) gestartet, der Missionsvorschläge enthält, die zwischen 2015 und 2025 realisiert werden sollen.
Dies bereitete den Weg für Missionen wie den kürzlich gestarteten JUpiter ICy Moons Explorer (JUICE) und das Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA) Röntgenobservatorium und LISA-Missionen, deren Start in den 2030er Jahren geplant ist. Der jüngste Zyklus, Voyage 2050, wurde von der ESA-Wissenschaftsdirektorin Carole Mundell initiiert, um wissenschaftliche Liegenschaften für die Weiterverfolgung der ATHENA- und LISA-Missionen auszuwählen. Während diese Missionen bahnbrechend sein werden, insbesondere in Zusammenarbeit, schlagen Dr. Martens und seine Kollegen Möglichkeiten vor, wie die LISA-Mission weiter verbessert werden könnte. Wie er erklärte:
„Die Grundidee von LISAmax besteht darin, GWs bei noch niedrigeren Frequenzen zu erkennen, als LISA es kann. Um für diese Frequenzen empfindlich zu sein, muss man die Laserarme des Detektors vergrößern. Größere Arme bedeuten größere Wellenlängen und damit niedrigere Frequenzen Drei LISAmax-Raumsonden werden in der Nähe der dreieckigen Lagrange-Punkte im Sonne-Erde-System platziert, was dem Detektor eine Armlänge von 259 Millionen km verleiht. Zum Vergleich: LISAs Arme haben eine Länge von 2,5 Millionen km. Das macht LISAmax empfindlich für GWs das Mikro-Hertz-Band und öffnet ein neues Fenster für die GW-Astronomie.“
„Im Allgemeinen kann jede Quelle, die mit LISA unter 1 mHz gemessen werden kann, mit LISAmax mit einem um etwa zwei Größenordnungen besseren Signal-Rausch-Verhältnis gemessen werden. Ein Beispiel, das in der Arbeit diskutiert wird, ist die Inspirationsphase von Supermassereiche Schwarze Löcher. Während LISA solche Quellen nur kurz vor dem endgültigen Verschmelzungsereignis sehen kann, kann LISAmax diese Objekte Tausende von Jahren zuvor beobachten und so eine viel bessere Messung bestimmter Parameter ermöglichen.“
Die wissenschaftliche Gemeinschaft untersucht dieses Konzept, das drastische Auswirkungen auf die Zukunft der GW-Astronomie haben könnte. Zusätzlich zur Erweiterung des Bereichs der GW-Ereignisse, die erkannt werden könnten, können GW-Observatorien der nächsten Generation mehr Ereignisse zu ihren Quellen zurückverfolgen. Darüber hinaus gehen Astronomen davon aus, dass GWs es ihnen ermöglichen werden, die Gesetze der Physik zu erforschen, das Innere extremer Objekte zu untersuchen und sogar bei der Untersuchung von Planeten und Satelliten zu helfen.
Der von Dr. Martens und seinen Kollegen vorgelegte Vorschlag ist eines von mehreren GW-Konzepten, die der ESA für das Programm Voyage 2050 vorgelegt wurden. Zu diesen Konzepten gehört ein weltraumgestütztes Interferometer, das den Himmel nach GWs im Frequenzbereich von Millihertz bis Mikrohertz (mHz bis µ-Hz) absuchen würde. Ein anderer schlägt vor, wie Interferometer, die für GWs im MHz-Bereich empfindlich sind, verwendet werden könnten, um mehr über die Natur von Schwarzen Löchern zu erfahren. Andere zeigen, wie Beobachtungen im Dezihertz-Bereich (dHz) das „fehlende Glied“ für die GW-Astronomie liefern könnten, während die Hochwinkelastronomie dabei helfen könnte, GWs zu ihrer Quelle zurückzuverfolgen.
Die Erforschung der Physik des frühen Universums, einschließlich der Erforschung ursprünglicher Gravitationswellen, ist auch ein Hauptthema des Voyage 2050-Programms der ESA. Durch die Untersuchung der während der inflationären Epoche geschaffenen GWs wären Wissenschaftler endlich in der Lage, die Physik und Mikrophysik dieser frühen kosmischen Periode zu untersuchen.
Mehr Informationen:
Waldemar Martens et al, LISAmax: Verbesserung der Gravitationswellenempfindlichkeit um zwei Größenordnungen, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2304.08287