LISA-Hardware macht Fortschritte

Mit dem Experiment Laser Interferometer Space Antenna, kurz LISA, will man in einigen Jahren Gravitationswellen im All nachweisen können. Um dieses Ziel zu erreichen, ist aber die Entwicklung unglaublich genauer Messmethoden erforderlich.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA/JPL-Caltech. Vertont von Peter Rittinger.

NASA/JPL-Caltech
Drei LISA-Raumsonden folgen in einer Dreieckanordnung der Erde.
(Bild: NASA/JPL-Caltech)

Die physikalischen Größen, die man bisher am genauesten messen kann, sind Frequenz- und Gangunterschiede. Dies gilt sowohl für Radiosignale als auch für Licht. Ändert sich die Geschwindigkeit eines Radiowellen oder Licht aussendenden Körpers, so verschieben sich Frequenzen und Wellen geringfügig. Aus der Überlagerung zweier Signale kann man die Abweichungen heute bis auf 16 Stellen genau messen.

Dies reicht beispielsweise aus, um festzustellen, dass die Geschwindigkeit eines Sterns, der sich relativ zu uns mit einigen Kilometern pro Sekunde bewegt (um 105 m/s), um einige Zentimeter pro Sekunde (10-2 m/s) variiert. Geschehen diese Veränderungen periodisch, so kann man damit indirekt eine umlaufende Masse, also wahrscheinlich einen Planeten, nachweisen (Radialgeschwindigkeitsmethode). In unserem Sonnensystem verwendet man derartige Messverfahren, um an geringfügigen Änderungen der Trägerfrequenz eines Funksignals die Abbremsung oder Beschleunigung einer Raumsonde durch Unregelmäßigkeiten in der Masseverteilung eines kleinen Himmerskörpers (etwa Mars Express am Marsmond Phobos) oder die durch die Dichte der Hochatmosphäre eines Planeten verursachte Abbremsung eines Satelliten (etwa Venus Express bei der Venus) sehr präzise zu bestimmen.

Für die Suche nach Gravitationswellen sind diese Verfahren aber noch nicht genau genug. Hierfür benötigt man eine Präszision bis auf 21 Stellen. Geplant ist, Anfang des nächsten Jahrzehnts drei Raumsonden in einen der Erde nachlaufenden Orbit zu starten, die sich anschließend jeweils 5 Millionen Kilometer voneinander entfernen und dann relativ zueinander als Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks die Position halten. Danach senden Sie aufeinander LASER-Licht aus, das im Inneren der Raumsonden zur Überlagerung gebracht wird. Dadurch entsteht in jeder Sonde ein sogenanntens Interferenzmuster. Die Lichtwellen gleicher Wellenlänge überlagern sich und verstärken oder schwächen sich dabei.

Würden sich beide Lichtwellen in gleicher Phase überlagern, käme es zu maximaler Verstärkung (hell), ist die Phase um eine halbe Wellenlänge verschoben zu maximaler Schwächung (dunkel). Ansonsten liegt die Lichtintensität irgendwo dazwischen. Verändern die Raumsonden ihre Position zueinander nur langsam, dann ändert sich auch das Interferenzmuster nur allmählich. Kommt es jedoch zu einer plötzlichen Distanzänderung, z. B. durch Gravitationswellen, so ändert sich auch das Interferenzsignal schnell. Dies lässt sich messen. Bisher allerdings gingen diese geringfügigen Änderungen im sogenannten Rauschen unter.

NASA/JPL-Caltech
Erfolgreiche Arbeiten an einem LISA-Prototypen
(Bild: NASA/JPL-Caltech)

Jetzt ist es Technikern am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena (USA) gelungen, dieses Rauschen soweit zu unterdrücken, dass die erforderliche Messgenauigkeit in greifbare Nähe rückt.

“Um Gravitationswellen nachweisen zu können, benötigen wir extrem genaue Messungen”, sagt Bill Klipstein, Physiker am Jet Propulsion Laboratory. “Unsere LASER erzeugen aber ein viel größeres Rauschen als die Signalestärke der zu messenden Größen beträgt. Also müssen wir dieses Rauschen sorgfältig unterdrücken, um ein klares Signal zu erhalten. Es ist ein bisschen so, als würden wir auf das Auftreffen einer Feder auf den Boden inmitten eines starken Platzregens lauschen.”

Gravitationswellen entstehen gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein, wenn große Massen im All beschleunigt oder gebremst werden. Ein indirekter Nachweis gelang 1974, als man zwei einander umkreisende Pulsare fand, deren Umlaufzeit sich stetig verringerte. Man schloss damals, dass die dabei entzogene Energie in Form von Gravitationswellen abgestrahlt wird. Dabei wird der Raum kurzzeitig um einige Picometer gestaucht und gestreckt. Ein Picometer ist der Millionste Teil eines Mikrometers und dieser wiederum der Millionste Teil eines Meters. Insgesamt findet man eine von Null verschiedene Zahl erst an der 12. Stelle nach dem Komma (10-12 m). Die LISA-Raumsonden sollen einen Abstand von 5 Millionen Kilometern voneinander einhalten (109 m). Insgesamt liegen 21 Größenordnungen dazwischen!

Ein direkter Nachweis von Gravitationswellen ist bisher auf der Erde noch nicht gelungen, obwohl es auch hier verhältnismäßig große Detektoren dafür gibt. Der derzeit größte ist GEO600 in der Nähe von Hannover. Hier wird seit 2005 LASER-Licht zur Interferenz gebracht, das zwei jeweils 600 Meter lange Röhren hin und zurück durchläuft. Offenbar ist die Genauigkeit der Messapparaturen nicht hoch genug, Gravitationswellen zu messen.

Dies könnte nun also ab 2020 mit den drei geplanten LISA-Sonden gelingen. Zuvor soll die noch in Entwicklung befindliche Technik ab etwa 2013 im Rahmen einer LISA Pathfinder genannten Mission evaluiert werden. LISA ist ein Gemeinschaftsprojekt der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und der Raumfahrtagentur der USA, NASA.

Raumcon:

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