Quelle: GFZ 13. Juni 2024.

13. Juni 2024 – Mittlerweile planen die US-Weltraumbehörde NASA, die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), und das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ die dritte Generation, weil die Messungen völlig neue Einblicke in das System Erde und vor allem in den globalen Wasserkreislauf ermöglicht haben.

Hochrangige Delegation aus den USA besucht Deutschland
Auf Einladung der Koordinatorin der Bundesregierung für die Luft- und Raumfahrt, Dr. Anna Christmann, war eine hochrangige US-Delegation anlässlich der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung ILA (5.-9. Juni) ins Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) nach Berlin gekommen. Der geschäftsführende Sekretär des Nationalen Weltraumrates der USA, Chirag Parikh, führte die Delegation an. In einem eigenen Panel stellten Forschende des Jet Propulsion Laboratory der NASA und des GFZ den Teilnehmenden des Raumfahrtdialogs das Messprinzip und die wissenschaftlichen Erfolge der Missionen GRACE (2002 bis 2017) und GRACE Follow-On (seit 2018 im All) vor. GRACE-C soll voraussichtlich 2028 starten, das C steht für Continuity.

Wie Wassermassen vom Weltall aus gemessen werden
GRACE misst Massenveränderungen auf und in der Erde, indem es deren Effekt auf ein Satelliten-Duo aufzeichnet, das mit 220 Kilometer Abstand (das entspricht in etwa der Entfernung von Berlin und Jena) hintereinander unseren Planeten in rund 500 Kilometer Höhe umkreist. Wird ein Satellit schneller, weil er als erstes auf ein massereiches Objekt zufliegt, vergrößert sich der Abstand um Bruchteile einer Haaresbreite. Mittels Mikrowellen und seit GRACE Follow-On auch per Laser-Interferometrie können diese Abstandsänderungen gemessen werden. Hinzu kommen GPS-Empfänger an Bord sowie Beschleunigungsmesser, um einerseits die Position der Satelliten zu bestimmen und andererseits Bremseffekte zu erkennen, die etwa durch Reibung an atmosphärischen Teilchen entstehen.

Aus all diesen Daten errechnen die Forschenden monatliche Karten der globalen Änderungen der Erdanziehungskraft und der dazugehörigen Massenveränderungen. Diese beinhalten Variationen im Grundwasser, der Bodenfeuchte, von Oberflächengewässern oder Schnee- und Eisbedeckung. Mit Hilfe von komplementären Beobachtungen oder Modelldaten lassen sich so aus GRACE-Daten einzigartig beispielsweise Grundwasserveränderungen global und auf monatlicher Basis ableiten.

Lange Zeitreihen sind essenziell
Die Messungen seit mehr als 22 Jahren zeigen zum Beispiel für Grönland einen dramatischen Verlust an Eismasse: mehr als 250 Milliarden Tonnen jedes Jahr. Aber auch Deutschland hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten Wassermasse verloren. Trotz des nassen Jahres 2023 fehlen nach den schweren Dürrejahren seit 2018 immer noch rund 10 Milliarden Tonnen im Gesamtwasserspeicher.

Für die Raumfahrtkoordinatorin der Bundesregierung ist GRACE-C „ein Schlüsselprojekt“. Anna Christmann sagte: „Wir brauchen Langzeitstudien, um das Klima zu verstehen. Die Datensammlung zum globalen Wasserhaushalt der Erde, die durch die GRACE-Satelliten seit über 20 Jahren erzeugt wird, ist daher von enormer Bedeutung. GRACE-C ist deshalb auch ein wichtiges Schlüsselprojekt der neuen Raumfahrtstrategie der Bundesregierung, da es in den Handlungsfeldern Klimaschutz und internationale Zusammenarbeit große Beiträge zur Umsetzung der Ziele leistet. Die Mission ist ein absolutes Leuchtturmprojekt.“

Auch Susanne Buiter, wissenschaftliche Vorständin des GFZ, betonte die Bedeutung der langen Zeitreihen: Ziel sei es, mit dem Start von GRACE-C voraussichtlich im Jahr 2028 dann eine Klimaperiode von insgesamt 30 Jahren erfassen zu können. Sie lenkte den Blick noch einmal auf das revolutionäre Messprinzip und dessen Geschichte, die auch mit dem ersten Satelliten des GFZ verbunden sei. GFZ-1 war 1995 von der russischen Raumstation „Mir“ aus ins All gebracht worden und kreiste fünf Jahre lang so tief um die Erde, dass die Auswirkungen des Schwerefelds deutlich messbar seine Bahn beeinflussten. „Dass wir aus Schwerefelddaten einmal die Folgen der Erderwärmung und insbesondere Veränderungen im globalen Wasserkreislauf wie Dürren, Grundwasservariationen oder Eismassenverluste so genau würden bestimmen können, war damals kaum zu glauben. Und heute blicken wir auf mehr als zwei Jahrzehnte mit monatlichen Schwerefeldkarten zurück“, sagte Susanne Buiter.

Dr. Jens Brandenburg, Parlamentarischer Staatssekretär im BMBF, hob bei der gemeinsamen Pressekonferenz hervor, dass die Forschung weltweit von den gewonnenen Daten profitiere: „GRACE und GRACE-FO gehören zu den am häufigsten zitierten Missionen in den Berichten des Weltklimarates IPCC. Tausende von wissenschaftlichen Publikationen basieren auf den Daten der beiden Satelliten-Duos. Dies unterstreicht die herausragende internationale Vernetzung der deutschen Erdsystemforschung und die hohe Bedeutung der GRACE-Missionen. So können durch den Klimawandel bedingte Veränderungen dokumentiert und mit mehrjährigem Vorlauf Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung geplant werden.“

Dr. Walther Pelzer, Vorstand der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, lenkte den Blick auf die deutsch-amerikanische Kooperation. Die Partnerschaft zwischen dem Jet Propulsion Laboratory der NASA und den deutschen Partnern „ist ein Zeichen für die Qualität der Raumfahrtindustrie und -wissenschaft in Deutschland“, so Pelzer.

Hintergrund zu GRACE-C
Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter Beteiligung des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) in Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover umgesetzt. Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen.

Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI), unterstützt vom Albert-Einstein-Institut in Hannover im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam wird für den Aufbau und die Durchführung der wissenschaftlichen Auswertungen im sogenannten Science Data System (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase nach dem Start der beiden Satelliten wird das GFZ für den operationellen Betrieb, also die permanente Überwachung und Steuerung der Instrumente und der Satelliten von GRACE-C, verantwortlich sein. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten, im Auftrag des GFZ, nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GSOC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

Weitere Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen stellen wir Ihnen über unser neues Informationsportal bereit:
www.globalwaterstorage.info

Insbesondere werden hier die relevanten Informationen zur globalen Wasserverfügbarkeit gebündelt, deren Grundlage die Daten der GFZ/NASA-Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO sind.
In anschaulich dargestellten Artikeln und Blogbeiträgen beschreiben die Wissenschaftler:innen viel Wissenswertes rund um das einzigartige Messprinzip, und stellen wichtige Forschungsergebnisse über ausgewählte Karten, Grafiken oder Animationen dar.

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• GRACE-C

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT 12. Juni 2024.

12. Juni 2024 – Die Gravitationswellen entstehen zum Beispiel, wenn schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren. Im zukünftigen Gravitationswellendetektor, dem Einstein-Teleskop, wird dafür die neueste Lasertechnologie genutzt werden.

Wie das Universum Gold macht
Im Sommer 2017 gab es für Astronomen einen extrem aufregenden Tag: Am 17. August registrierten drei Gravitationswellendetektoren ein neues Signal. Sofort wurden hunderte Teleskope auf der ganzen Welt auf den vermuteten Ursprungsort ausgerichtet und tatsächlich sah man dort einen aufleuchtenden Himmelskörper. Zum ersten Mal war es gelungen, die Kollision von zwei Neutronensternen sowohl als Gravitationswelle als auch optisch zu erfassen.

Neutronensterne sind etwas ganz Besonderes im Universum: Sie sind ausgebrannte Sterne, die schon lange nicht mehr leuchten. Sie wiegen etwas mehr als unsere Sonne, quetschen ihre Masse aber in eine Kugel von weniger als 20 km Durchmesser. Die Wucht bei ihrem Zusammenstoß ist so groß, dass Atomkerne zerrissen werden. Gigantische Mengen von Massen werden ausgestoßen und schwere Atome wie Gold können entstehen.

»Im Vergleich zur Masse der Neutronensterne ist es nicht viel Gold, das da entsteht – nur ein paar Mondmassen«, erklärt schmunzelnd Professor Achim Stahl, ein Astrophysiker von der RWTH Aachen University. »Aber die Forschung ist sich ziemlich sicher, dass das meiste Gold im Universum bei solchen gigantischen Explosionen entstanden ist.« Der goldene Ring, den wir am Finger tragen, hat also schon galaktische Geschichte erlebt.

Gravitationswellendetektoren eröffnen ein neues Kapitel in der Astronomie
Dank der Gravitationswellendetektoren wissen wir schon jetzt mehr über die Kollisionen von Neutronensternen. Für galaktische Verhältnisse sind das sehr schnelle Prozesse. Früher hat man mit viel Glück einen Gammablitz von weniger als einer Sekunde registriert. Wenn schwarze Löcher kollidieren, ist das mit den aktuellen Gravitationswellendetektoren messbare Signal sehr kurz. Etwas mehr als 0,2 Sekunden lang war das Signal der ersten Gravitationswelle, die 2015 gemessen wurde. Solche Wellen entstehen, wenn ultraschwere Objekte im Universum umeinanderkreisen und dann kollidieren.

Das im Sommer 2017 detektierte Signal war 100 Sekunden lang, womit sofort klar war, dass das etwas Neues sein musste. Kurz nach dem Ende des Gravitationssignals konnte der Gammablitz aufgezeichnet werden, später wurde das Nachglühen der Explosion in verschiedenen Wellenlängenbereichen beobachtet und Spuren schwerer Elemente wie Gold und Platin nachgewiesen. Das Ereignis wurde als Kollision zweier Neutronensterne identifiziert. Mit der gleichzeitigen Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischen Signalen wurde ein neues Kapitel in der beobachtenden Astronomie begonnen. »Tatsächlich war das optische Signal entscheidend, um den Stern am Himmel zu finden«, erklärt der Astrophysiker Stahl den Vorteil.

Unsere »Ohren« zum Universum
Über Jahrhunderte hat sich die Astronomie auf Beobachtungen von sichtbarer Strahlung beschränkt. Mit dem besseren Verständnis des elektromagnetischen Spektrums kamen viele neue Beobachtungsmethoden hinzu, Radiowellen wurden aufgezeichnet und über Berechnungen und Simulationen wurde das Wissen der Menschheit deutlich erweitert.

Als Albert Einstein vor gut hundert Jahren seine allgemeine Relativitätstheorie postulierte, entstand auch der Gedanke, dass es Wellen geben könnte, die nichts mit dem elektromagnetischen Spektrum zu tun haben. Ähnlich wie eine Schallwelle sollten sie einen Probekörper in großem Abstand noch etwas »wackeln« lassen. Große beschleunigte Massen sollten solche Wellen durch den Raum schicken. Auf der Erde ist das Wackeln, das die Gravitationswellen verursachen, allerdings so schwach, dass die Bewegung wesentlich kleiner als der Durchmesser eines Atoms ist. Inzwischen ist es tatsächlich gelungen, Gravitationswellen zu messen. Für Astronomen ist das ein neues Zeitalter.

Möglich wird das durch sogenannte Laserinterferometer. Sie bestehen aus zwei Armen mit Spiegeln an den Enden. Ein Laserstrahl kommt in das Interferometer und wird an einem Strahlteiler in der Mitte geteilt. Er läuft zu den Endspiegeln in den zwei Armen und wieder zurück zum Strahlteiler. Ändert sich die Position des Spiegels am Ende eines Arms, variiert die Laufzeit des jeweiligen Laserstrahls um einen winzigen Betrag. Dieser Betrag lässt sich messen, indem man den Laserstrahl vom betroffenen Spiegel mit einem Laserstrahl aus dem anderen Interferometerarm vergleicht, bei dem der Spiegel nicht bewegt wurde.

Die Präzision dieser Messung in den aktuellen Gravitationswellendetektoren ist auch für Physiker immer wieder erstaunlich: »Wir messen auf weniger als einem Zweitausendstel Protonendurchmesser genau«, erklärt Professor Stahl. Zu Erinnerung: Protonen sind die Bestandteile von Atomkernen. »Es ist schon ironisch, dass wir für den Nachweis der größten Ereignisse im Universum, der Vereinigung von schwarzen Löchern, eine Präzision brauchen, die sich an den kleinsten uns bekannten Teilchen misst«, ergänzt er nachdenklich.

Erste Versuche, Gravitationswellen zu messen, gab es schon in den 1960er Jahren. Aber erst die aktuelle zweite Generation von Laser-Messgeräten schafft die extreme Genauigkeit und hat inzwischen etwa 100 Kollisionen von schwarzen Löchern oder Neutronensternen detektiert.

Das Einstein-Teleskop
Professor Stahl gehört der deutschen Einstein-Teleskop-Community an und arbeitet derzeit an der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren. Messgeräte dieser dritten Generation sollen noch zehn Mal empfindlicher sein als die derzeit genutzten. Nach dem Begründer der allgemeinen Relativitätstheorie wurde das geplante Gravitationswellenobservatorium »Einstein-Teleskop« genannt. »Wir wollen damit einen tausendfach größeren Bereich des Universums auf Gravitationswellen untersuchen. Und wir sollten dann erheblich mehr Quellen finden, für die die aktuellen Instrumente nicht empfindlich genug sind«, erklärt der Astrophysiker. Das betrifft dann auch noch schwerere Objekte, die Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen abstrahlen.

Das Einstein-Teleskop soll aus drei ineinander verschachtelten Detektoren bestehen. Zu jedem dieser Detektoren gehören zwei Laserinterferometer mit 10 km langen Armen. Damit möglichst viele Störungen abgeschirmt werden, soll das Observatorium 250 m unter der Erde gebaut werden.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler denken aber schon viel weiter: »Das Einstein-Teleskop wird zusammen mit einer neuen, innovativen Generation von Observatorien im elektromagnetischen Spektrum arbeiten, die den Bereich von Radio- bis zu Gammastrahlen abdecken. Wir nennen das Multimessenger-Astronomie«, beschreibt Professor Stahl die Vision. »Neben den ›Ohren‹ für die Gravitationswellen haben wir dann auch ›Augen‹, die ganz verschiedene Signale erfassen. Zusammen liefern diese dann eine Live-Übertragung kosmischer Ereignisse, wie sie noch niemand je gesehen hat.«

Bislang konnte man auf gut Glück den Himmel beobachten und auf einen kurzen Blitz hoffen. Die Gravitationswellendetektoren laufen in Zukunft ständig und »hören«, wenn ein Signal erscheint. Wenn mehrere solche Detektoren das Signal erfassen, kann seine Ursprungsregion berechnet und andere optische Teleskope darauf ausgerichtet werden. So wie bei der Neutronensternkollision im Sommer 2017 sind dann mehrere systematische Messungen möglich. Die Wissenschaft verspricht sich davon viele neue Erkenntnisse, zum Beispiel über das frühe Universum oder über solche Kollisionen, in denen alle Elemente gebildet wurden, die schwerer sind als Eisen.

Detektoren in Europa und der ganzen Welt
So komplexe Messungen setzen eine globale Zusammenarbeit voraus. Dementsprechend wird auch in den USA ein Detektorkonzept der dritten Generation entwickelt: Der »Cosmic Explorer« wird mit dem Einstein-Teleskop ein globales Detektornetz bilden. Die Europäer haben das Einstein-Teleskop 2021 in die Roadmap des European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI) aufgenommen. ESFRI wurde 2002 gegründet, damit nationale Regierungen, die wissenschaftliche Gemeinschaft und die Europäische Kommission gemeinsam ein Konzept für Forschungsinfrastrukturen in Europa entwickeln und unterstützen können.

Mit der Aufnahme in die ESFRI Roadmap ist das Einstein-Teleskop in die Vorbereitungsphase eingetreten. Das Budget wurde auf 1,8 Milliarden Euro geschätzt. Etwa 40 Millionen Euro soll der Betrieb pro Jahr kosten. Der Baubeginn ist für 2026 geplant, die Beobachtungen sollen 2035 beginnen.

Gegenwärtig laufen Studien, um eine Standortauswahl zu treffen. Eine Entscheidung wird für 2024 erwartet. Zwei mögliche Standorte werden derzeit untersucht: einer auf Sardinien und einer in der Euregio Maas-Rhein im Dreiländereck Deutschland-Belgien-Niederlande. Bei der Bewertung der Standorte müssen die Durchführbarkeit des Baus berücksichtigt und die Auswirkungen der örtlichen Umgebung auf die Empfindlichkeit und den Betrieb des Detektors vorhergesagt werden.

Für die betreffende Region verspricht das Projekt einige Vorteile: Ein Großteil der Kosten von 1,8 Milliarden geht in Baumaßnahmen. Drei mal zehn km Tunnel und zwölf mal zehn km Vakuumrohre werden gebraucht, um nur zwei Beispiele zu nennen. Schon jetzt ist eine Vielzahl an Firmen an dem Projekt beteiligt.

An der eigentlichen Messapparatur arbeitet bereits ein großes Team an verschiedenen Standorten. Neben der RWTH Aachen University betrifft das in Aachen auch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Dort entwickelt man derzeit neue Laser, ohne die die neuen Messungen nicht machbar wären. »Was wir hier für den potenziellen Einsatz im Einstein-Teleskop entwickeln, ist in dieser Ausführung einzigartig und ausschließlich zur Messung von Gravitationswellen gedacht«, bestätigt Dr. Patrick Baer vom Fraunhofer ILT, der als Research Unit Leiter in der Einstein-Teleskop Community Forschungsgruppen der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und für Produktionstechnologie IPT sowie der Lehrstühle für Lasertechnik LLT und für Technologie Optischer Systeme der RWTH Aachen University vertritt. »In einer vereinfachten Ausführung kann die für diesen Einsatzbereich entwickelte Lasertechnologie allerdings auch für andere Anwendungen z.B. in der Quantentechnologie interessant sein. Aber auch für die Entwicklung von Lasern in der Medizintechnik kann das erlangte Wissen hilfreich sein: die Wellenlänge von 2 µm ist beispielsweise für das Zertrümmern von Nieren- und Blasensteinen geeignet.« Letztlich ist es das, was das Fraunhofer ILT seit seiner Gründung macht: High-end-Laser aus der Forschung für Anwendungen in der Industrie fit machen.

Aktuell ist die Finanzierung noch nicht vollständig gesichert. In den nächsten zwei Jahren erwartet Professor Stahl eine endgültige Entscheidung. Dann kommen die Planer, die Tunnelbauer und am Ende die Laserphysiker. »Ich schätze, dass wir 2035 die ersten Messungen vornehmen können.«

Was fasziniert einen Forscher wie Achim Stahl? »Mit Gravitationswellen können wir sehr viel weiter hinausblicken als mit normalen Teleskopen« erklärt der Astrophysiker. »Weiter hinausschauen heißt in der Astrophysik vor allem, in der Zeit zurückzuschauen. Mit dem Einstein-Teleskop werden wir Signale aus der Zeit empfangen, wo sich die Galaxien formierten und die ersten Sterne bildeten. Das geht weiter zurück, als es mit optischen Mitteln möglich ist. Und wir werden mit den Gravitationswellen kosmische Explosionen live hören, bevor wir sie sehen.« Die empfindlicheren Detektoren des Einstein-Teleskops werden die Signale früher »hören« und den anderen Teleskopen mehr Zeit lassen, um sich auszurichten. Früher war es eher ein glücklicher Zufall, so ein Ereignis zu sehen. Jetzt sind erstmals systematische Messungen möglich. Da brechen spannende Zeiten an – nicht nur für Astrophysiker.

Die Arbeit wurde zum Teil von Interreg EMR, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), und zum Teil vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen unterstützt.

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• Gravitationswellen

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Quelle: DLR 25. Januar 2024.

Am 25. Januar 2024 haben die große Flaggschiffmission LISA (Laser Interferometer Space Antenna) und die M-Klasse-Mission EnVision im Wissenschaftsprogramm der Europäischen Weltraumorganisation ESA eine weitere, wichtige Hürde genommen. Das LISA-Observatorium zum Aufspüren von sogenannten Gravitationswellen wurde nun zusammen mit der EnVision-Mission zur Erkundung der Venus durch das Science Programme Committee (SPC) der ESA in einer „Mission Adoption“ formal in die Umsetzungsphase überführt. Damit können nun das detaillierte Design, der Bau und später die umfangreichen Tests von Sonden, Nutzlast und Bodeninfrastruktur in vollem Umfang begonnen werden. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist der größte Beitragszahler im Wissenschaftsprogramm der ESA und dadurch finanziell maßgeblich an der LISA-Mission und in Teilen an EnVision beteiligt. Dadurch werden wichtige Teile dieser beiden europäischen Raumfahrtgroßprojekte in Deutschland umgesetzt. Bei EnVision ist das DLR in Berlin maßgeblich an einem Hauptinstrument beteiligt. Die Leitung und Koordination der gesamten sogenannten VenSpec Suite liegt beim DLR-Institut für Planetenforschung. Das DLR-Institut für Weltraumforschung (ehemals DLR-Institut für Optische Sensorsysteme) hat die Multispektralkamera zur Suche nach aktiven Vulkanen und zur Kartierung der Mineralogie entwickelt und gebaut

LISA – Schwingungen der Raumzeit aufspüren
Bereits 2017 wurde LISA als eine der drei großen Flaggschiff-Missionen im Wissenschaftsprogramm der ESA ausgewählt. Seitdem haben intensive Arbeiten zum technischen Konzept und dessen Umsetzung stattgefunden. Auch die bereits seit den 1990er Jahren laufende wissenschaftliche Vorbereitung einschließlich der äußerst komplexen Datenverarbeitung und -analyse wurde seitdem in einem weltweiten Konsortium von mehr als 1500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern intensiv fortgesetzt. Die ESA, wie auch die beteiligten nationalen Institutionen aus verschiedenen europäischen Ländern sowie der NASA in den USA und deren industrielle Auftragnehmer werden nun ihre jeweiligen Teams deutlich aufstocken, um die noch notwendigen, umfangreichen Entwicklungsarbeiten bis zum geplanten Start der Mission Mitte 2035 anzugehen.

LISA soll nach der Inbetriebnahme im All ab Ende 2035 niederfrequente Gravitationswellen aus dem Weltraum nachweisen und die Natur ihrer Quellen mit großer Genauigkeit bestimmen. Gravitationswellen als Schwingungen der Raumzeit werden durch schnelle zeitliche Änderungen in der räumlichen Verteilung sehr großer Massen wie zum Beispiel bei der Verschmelzung zweier stellarer oder auch supermassiver Schwarzer Löcher hervorgerufen. Die winzigen Amplituden einer Gravitationswelle lassen sich nur durch eine höchst empfindliche Laserinterferometrie nachweisen. Bei LISA wird dieses Laserinterferometer durch drei baugleiche Sonden aufgespannt, die ein nahezu gleichseitiges Dreieck mit rund 2,5 Millionen Kilometer Seitenlänge bilden. Damit wird LISA das bei weitem größte je von Menschen gebaute Observatorium sein.

LISA – größtes Observatorium wird mit maßgeblichem deutschen Anteil entwickelt und gebaut
LISA wird im Wissenschaftsprogramm der ESA unter Beteiligung der NASA und mit Beistellungen zur Nutzlast aus mehr als zehn europäischen Ländern unter anderem in Deutschland entwickelt und gebaut. Der industrielle Hauptauftragnehmer der ESA für die Gesamtmission wird im Januar 2025 aus einem deutschen beziehungsweise einem deutsch-italienischen Industriekonsortium ausgewählt: Airbus in Friedrichshafen und OHB in Bremen und Oberpfaffenhofen zusammen mit Thales-Alenia in Italien. Ein wissenschaftliches Konsortium ist maßgeblich an der Entwicklung von LISA beteiligt und baut zudem die Datenverarbeitung und -archivierung der Mission auf. Dabei kommt dem deutschen Beitrag zur Mission eine entscheidende und missionskritische Bedeutung zu. Dieser umfangreiche Beitrag zu LISA besteht wesentlich aus der führenden Rolle des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik / Albert-Einstein-Institut (AEI) in Hannover bei der Entwicklung des interferometrischen Nachweissystems (IDS – Interferometric Detection System), dessen Komponenten von verschiedenen Partnern in Europa bereitgestellt werden.

Das vom AEI entwickelte Herzstück des IDS ist neben dem optischen System, das vom Partner aus Großbritannien geliefert werden soll, das zentrale Phasenmeter der Mission. Dabei besteht eine enge Kooperation mit der Dänischen Technischen Universität (DTU) in Kopenhagen. Außerdem wird das Institut in Hannover in Zusammenarbeit mit niederländischen Partnern einen kritischen Mechanismus für die Nutzlast liefern. Das AEI unterstützt zudem die Mission und die ESA bei vielen Fragestellungen zum Systemdesign, wobei deren umfangreiche Erfahrungen aus der Entwicklung und dem Betrieb des Technologiedemonstrators LISA Pathfinder einfließen. Mit dieser Vorläufermission wurden von 2015 bis 2017 die entscheidenden Messprinzipien für LISA sehr erfolgreich im All erprobt. Zusammen mit der deutschen Raumfahrtindustrie hat das Albert-Einstein-Institut auch bei dieser Mission eine führende Rolle gespielt. Die gesamte Beteiligung des AEI an LISA, das auch die wissenschaftliche Leitung (Principal Investigator) der Gravitationswellenmission stellt, wird maßgeblich durch Zuwendungen der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unterstützt.

EnVision – eine vielfältige Mission zu unserem Nachbarplaneten Venus
EnVision wurde im Juni 2021 als fünfte M-Mission im sogenannten Cosmic Vision Programm der ESA ausgewählt und wurde nun ebenfalls zur Umsetzung freigegeben. Im Laufe des Jahres 2024 wird sie dazu einen industriellen Auftragnehmer in Europa auswählen, so dass die Arbeiten zur Fertigstellung des Designs und zum Bau des Raumfahrzeugs bald beginnen können. EnVision soll im Jahr 2031 mit einer Ariane-6-Rakete starten. Die Mission wird die Venus von ihrem inneren Kern bis zur äußeren Atmosphäre untersuchen und wichtige neue Erkenntnisse über die Entwicklung, die geologische Aktivität und das Klima des Planeten liefern. Dadurch soll EnVision die vielen, seit langem offenen Fragen zur Venus beantworten, insbesondere, wie und wann der Zwilling der Erde so unwirtlich geworden ist. Das DLR in Berlin wird dabei helfen, diese Fragen zu beantworten, denn sowohl das DLR-Institut für Planetenforschung als auch das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme sind dabei maßgeblich an einem der vier großen Instrumente der Mission beteiligt.

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• DLR
• LISA/NGO – New Gravitational wave Observatory
• EnVision : ESAs Venus-Mission (M5) auf Ariane 62

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Quelle: Airbus Defence and Space 19. Mai 2022.

Friedrichshafen, 19. Mai 2022 – Airbus hat von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) den Auftrag erhalten, die Umsetzung von LISA (Laser Interferometer Space Antenna) weiter zu entwickeln. LISA ist eine der ehrgeizigsten wissenschaftlichen Mission, die die ESA bisher geplant hat. Mit der jetzt laufenden Phase B1 sollen der detaillierte Missionsentwurf und die abschließenden Technologie-Entwicklungsaktivitäten für das Gravitationswellen-Observatorium bis 2024 abgeschlossen sein, wobei der Start für die späten 2030er Jahre geplant ist.

Gravitationswellen wurden erstmals von Albert Einstein postuliert. Das sind Verzerrungen der Raumzeit und sie entstehen, wenn beispielsweise supermassereiche Schwarze Löcher verschmelzen, die Milliarden Mal schwerer sind als unsere Sonne, zusammenstoßen. Diese Ereignisse sind so stark, dass die entstehenden Gravitationswellen von hochempfindlichen Instrument in einer Entfernung von Milliarden von Lichtjahren gemessen werden können.

Um diese Wellen zu messen, besteht LISA aus drei Raumsonden, die tief im Weltraum ein gleichseitiges Dreieck bilden und 2,5 Millionen Kilometer voneinander entfernt sind. Die Gravitationswellen dehnen und stauchen die Raumzeit und verursachen kleinste Abstandsänderungen zwischen den LISA-Sonden (weniger als der Durchmesser eines Atoms). Jede Bewegung von Testmassen, die innerhalb der drei Raumsonden frei fallen, wenn eine Gravitationswelle vorbeizieht, kann von den empfindlichen Instrumenten der Raumsonden erfasst werden. LISA wird dies mit Hilfe von Laserstrahlen tun, die kontinuierlich zwischen den Satelliten hin- und herübertragen werden und dabei den Abstand zwischen den einzelnen Testmassen interferometrisch messen.

Einige der für LISA erforderlichen Schlüsseltechnologien wurden mit der von Airbus als Hauptauftragnehmer entwickelten und gebauten Mission LISA Pathfinder (LPF) erfolgreich im Weltraum getestet. Die Ergebnisse der Mission zeigten, dass LPF sogar noch präziser arbeitete als für LISA erforderlich. Die LPF-Mission startete am 3. Dezember 2015 und endete im Juli 2017.

Gravitationswellen sind eine neue Forschungsmethode, die die Schwerkraft anstelle von Licht nutzt, um dynamische Prozesse im Universum zu messen. Die Untersuchung von Gravitationswellen bietet ein enormes Potenzial für die Entdeckung von Teilen des Universums, die auf andere Weise unsichtbar sind. LISA wird unser Wissen über den Beginn, die Entwicklung und die Struktur unseres Universums erheblich erweitern. Gravitationswellen wurden in den letzten Jahren von bodengestützten Observatorien nachgewiesen – von Experimenten wie LIGO und dem europäischen Virgo-Observatorium, aber diese Einrichtungen sind in ihrer Größe und Empfindlichkeit begrenzt, was bedeutet, dass sie nur hochfrequente Gravitationswellen von bestimmten Quellen (wie verschmelzenden stellaren Schwarzen Löchern und Neutronensternen) nachweisen können.

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• LISA/NGO – New Gravitational wave Observatory

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Quelle: Universität Hamburg.

Prof. Dr. Oliver Gerberding, leitender Wissenschaftler am Exzellenzcluster „Quantum Universe“ der Universität Hamburg, hat knapp 1,5 Millionen Euro Förderung für Technologieentwicklung beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt eingeworben. In den kommenden drei Jahren arbeiten er und sein Team an einem elektronischen Auslesesystem und optischen Aufbauten für die Bodenausrüstung des Gravitationswellendetektors LISA.

Die Laser Interferometer Space Antenna, kurz LISA, ist eine Mission der European Space Agency (ESA) mit Beiträgen der NASA. Im Gegensatz zu bereits existierenden bodengestützten Gravitationswellendetektoren wird LISA im Weltraum installiert. LISA besteht aus drei Satelliten, die der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne in einer dreieckigen Anordnung mit etwa 2,5 Millionen Kilometern Abstand zueinander folgen.

Wie bodengestützte Detektoren basiert LISA auf der sogenannten Laserinterferometrie. Dabei werden zwei Laserstrahlen überlagert, die zuvor verschiedene Laufwege zurückgelegt haben. Mit dieser Methode lassen sich Dehnungen und Stauchungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, nachweisen. Sie entstehen bei großen astrophysikalischen Ereignissen wie der Verschmelzung von Neutronensternen oder von Schwarzen Löchern.

Von der Gravitationswellendetektion mit LISA erhoffen sich Forschende weltweit neue wissenschaftliche Erkenntnisse über den Ursprung und die Entwicklung des Universums. „LISA wird ein neues Fenster in die Gravitationswellenastronomie öffnen und eines der größten und spannendsten Messinstrumente sein, das die Menschheit je gebaut hat“, erklärt Prof. Dr. Oliver Gerberding. „Wir werden in Hamburg künftig einen Beitrag zur LISA-Mission leisten und unsere nationalen und internationalen Partner dabei unterstützen, einen langlebigen Gravitationswellendetektor zu entwerfen, der hochpräzise Messergebnisse liefert.“

Mit den knapp 1,5 Millionen Euro vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, sollen technologische Komponenten für die Bodenausrüstung von LISA entwickelt werden – also jene Instrumente, mit denen die Funktionsweise von LISA vorab auf der Erde erprobt wird. Dazu gehören neben einem elektronischen Auslesesystem, dem sogenannten Phasenmeter, das die Phase des Laserlichts misst, auch optische Komponenten. Bei der Entwicklung des Phasenmeters werden Gerberding und seine Gruppe von der Maschine Strahlkontrollen-Abteilung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) als Unterauftragnehmer in dem DLR-finanzierten Forschungsprojekt unterstützt.

Die LISA-Mission wird durch ein internationales Konsortium vorangetrieben und ist eines von drei ausgewählten Projekten des Cosmic Vision Programm der ESA. Auch die NASA trägt maßgeblich zur LISA-Mission bei. Bisher verläuft die Vorbereitung der Mission nach Plan.

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Quelle: Universität Bern.

Gemäss den Gesetzen der Quantenphysik weisen Materie-Teilchen nicht nur die Eigenschaften von Teilchen, sondern auch diejenigen von Wellen auf. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus wurde bereits 1924 vom französischen Physiker Louis de Broglie postuliert. Die Existenz des Wellenverhaltens von Materie (Materiewellen) wurde seither erfolgreich in verschiedenen Experimenten mit Elektronen und Neutronen sowie auch mit komplexerer Materie bis hin zu grossen Molekülen nachgewiesen. Auch bei Antimaterie-Teilchen kann der Welle-Teilchen-Dualismus nachgewiesen werden – dies gelang bereits mit sogenannten Beugungsexperimenten. Nun schafften es Forschende der internationalen QUPLAS-Kollaboration jedoch erstmals, Antimateriewellen auch anhand von einzelnen Positronen (Antiteilchen des Elektrons) mit einem sogenannten Interferenz-Experiment nachzuweisen. Die Ergebnisse wurden im renommierten Journal Science Advances publiziert.

Ein Experiment, das bereits Einstein umtrieb
Zur QUPLAS-Kollaboration gehören Forschende der Universität Bern und des Politecnico di Milano. Um den Welle-Teilchen-Dualismus von einzelnen Positronen nachzuweisen, führten sie ein Experiment durch, das dem sogenannten Doppelspalt-Experiment ähnlich ist. Dieses hatten bereits berühmte Physiker wie Albert Einstein und Richard Feynman als Gedankenexperiment ins Spiel gebracht; es wird in der Quantenphysik oft verwendet, um das Wellenverhalten von Teilchen zu demonstrieren. Bei diesem Experiment werden Teilchen (in diesem Fall Positronen) von einer Quelle aus auf einen Detektor-Schirm geschossen. Dazwischen befindet sich eine Platte mit zwei oder mehreren Spalten, durch die die Teilchen hindurchfliegen können. Wenn sich die Teilchen wie Teilchen verhalten, zeigt sich auf dem Schirm ein Muster aus Streifen, das der Anzahl Spalten entspricht. Wenn sich die Teilchen jedoch wie Wellen verhalten, zeigt sich auf dem Schirm ein sogenanntes Interferenzmuster, bestehend aus mehreren Streifen (mehr Streifen als Spalten). Dies kommt daher, weil sich die von der Quelle ausgehenden Wellen gegenseitig überlagern.

Auftreffpunkt auf dem Mikrometer genau
Den QUPLAS-Forschenden gelang es nun erstmals in einem solchen Experiment, ein Interferenzmuster von Antimateriewellen nachzuweisen. Sie nutzen dazu einen innovatives sogenanntes Talbot-Lau-Interferometer mit einer Kernemulsionsplatte als ortsempfindlichen Detektor für die auftreffenden Teilchen. «Mit der Kernemulsion konnten wir den Auftreffpunkt der einzelnen Positronen sehr exakt bestimmen und so das Interferenzmuster auf den Mikrometer – also den millionstel eines Meters – genau rekonstruieren», erklärt Dr. Ciro Pistillo vom Laboratory for High Energy Physics (LHEP) und Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern. Damit konnten die Forschenden zwei grosse Hindernisse von Antimaterieexperimenten überwinden: den geringen Antiteilchenfluss und die komplexe Manipulation der Antiteilchen-Strahlung.

Die Forschenden des LHEP und AEC spielten eine Schlüsselrolle für den Erfolg des Projekts: Akitaka Ariga, Antonio Ereditato, Ciro Pistillo und Paola Scampoli waren insbesondere für das Design, den Aufbau und den Betrieb des Emulsionsdetektors sowie für die Analyse der Auftreffpunkte der Positronen verantwortlich.

Neues Feld in der Antimaterieforschung
«Unsere Beobachtung der Ennergieabhängngigkeit des Interferenzmusters beweist eindeutig dessen quantenmechanischen Ursprung und somit das Wellenverhalten der Positronen », sagt Professorin Paola Scampoli. Der Erfolg des Experiments ebnet den Weg zu einem neuen Untersuchungsfeld auf der Grundlage von Antimaterie-Interferometrie. Ein Ziel dabei sind beispielweise Gravitationsmessungen mit exotischen Atomen wie Positronium, das aus einem Elektron und einem Antiteilchen (Positron) besteht. Damit könnte die Gültigkeit des sogenannten schwachen Äquivalenzprinzips für die Antimaterie überprüft werden. Dieses Prinzip ist die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie und wurde noch nie mit Antimaterie geprüft. Künftige Forschungsfelder auf Basis der Antimaterie-Interferometrie könnten einst Aufschluss liefern über das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie im Universum.

Originalpublikation:
S. Sala, A. Ariga, A. Ereditato, R. Ferragut, M. Giammarchi, M. Leone, C. Pistillo, P. Scampoli, First demonstration of antimatter wave interferometry. Sci. Adv. 5, eaav7610 (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aav7610 Science Advances: First demonstration of antimatter wave interferometry

Der Beitrag Antimateriewellen-Nachweis mit Interferenz-Experiment erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Erstellt von Viktoria Schöneich. Quelle: LIGO

Gravitationswellen wurden erstmals 1916 von Albert Einstein postuliert – ein Jahr, nachdem er bereits seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte. Demnach erzeugen Bewegungen einer Masse im Raum eine Krümmung der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt. Die Amplitude dieser Welle und damit ihre „Stärke“ hängt maßgeblich von der bewegten Masse ab; d.h. der Finger, mit dem Sie diesen Artikel scrollen, erzeugt eine weitaus schwächere Welle als zwei verschmelzende schwarze Löcher. Dies ist auch das Ereignis, das man nun nachgewiesen hat: Die Welle hatte genau die Form, die von Einsteins Theorie für diesen Fall vorhergesagt wird.

Allerdings sind die Effekte von Gravitationswellen selbst bei einem so dramatischen Ereignis verhältnismäßig klein. Auf einer Strecke von 4 km wurde gerade einmal eine Längenänderung von einem Zeptometer detektiert. Zum Vergleich: der Durchmesser eines Protons ist etwas eine Million mal größer. Bei diesen Dimensionen ist es nicht verwunderlich, dass bereits Einstein daran zweifelte, ob die von ihm theoretisch vorhergesagten Wellen jemals gefunden werden würden.

Messtechniken
Angesichts des experimentell doch sehr schwierigen direkten Nachweises konzentrierte man sich zunächst einmal darauf, die Gravitationswellen indirekt nachzuweisen. Der Grundgedanke hierbei ist, dass die Energie, die die Welle transportiert, von irgendwo her kommen muss. Es muss sich also eine energetische Änderung des Ursprungssystems ergeben, die beobachtbar sein sollte. Tatsächlich konnten Hulse, Taylor und Weisberg im Jahr 1975 nachweisen, dass sich in einem binären Pulsarsystem die zwei Körper immer weiter annäherten. Der Verlust der Rotationsenergie entsprach dem Energiegehalt der vorhergesagten Welle. Diese Beobachtung brachte den Forschern den Nobelpreis ein.

Trotz der technischen Schwierigkeiten wurden bereits in den 60ern erste Versuche unternommen, Gravitationswellen direkt nachzuweisen. Zunächst geschah dies in Form von Resonanzdetektoren. Dabei wird eine oftmals zylindrische Testmasse störungsfrei aufgehängt und soll auf einen bestimmten Anteil der Gravitationswelle resonant reagieren, also das Signal der Welle verstärken. Der Nachteil an diesem Detektor ist, wie sich bereits erahnen lässt, dass er nur bestimmte Gravitationswellen nachweisen kann, da er nur bei bestimmten Frequenzen resonant ist. Später wurde durch das Herabkühlen des Zylinders auf wenige Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt zwar eine Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht, aber auch mit diesem Aufbau gelang ein direkter Nachweis nicht.

Zeitgleich mit dem Bau der Resonanzdetektoren wurden bereits Laserinterferometer vorgeschlagen, die sich jedoch wegen zu lösender technischer und konzeptueller Schwierigkeiten zunächst auf theoretische Studien und kleinere Experimente beschränkten. Ein Laserinterferometer basiert auf dem Prinzip der konstruktiven und destruktiven Interferenz: Treffen zwei Wellenberge aufeinander, verstärkt sich das Signal (konstruktiv), trifft Wellenberg auf Wellental, wird das Signal ausgelöscht (destruktiv). Dazwischen liegen natürlich noch viele weitere Zustände, die gemessen werden können und Informationen über die Verschiebung von zwei Lichtsignalen zueinander enthalten.

Kurz nach der Jahrtausendwende begann man schließlich damit, weltweit Laserinterferometer zu bauen. Das Messprinzip basiert hierbei auf dem Michelson-Interferometer, das vielleicht dem einen oder anderen Leser noch aus der Schulzeit geläufig ist. Ein Laser sendet Licht aus, das an einem halbdurchlässigen Spiegel aufgeteilt wird und auf zwei normale Spiegel trifft. Das dort reflektierte Licht trifft nun wieder auf den halbdurchlässigen Spiegel und wird anschließend auf einen Detektor geleitet. Auf diesem erscheint dann die Interferenz. Werden die senkrecht zueinander stehenden Röhren von einer Gravitationswelle gestreckt oder gestaucht, findet eine Phasenverschiebung statt und es wird eine Änderung der Interferenz detektiert.

Die Versuchsanlagen wurden an verschiedenen Orten auf der Erde errichtet: so werden lokale Fehlerquellen wie beispielsweise leichte Erdbeben ausgeschlossen. Standorte solcher Detektoren sind unter anderem Japan, Italien und Deutschland. Die Entdeckung gemacht hat jedoch das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA; um genau zu sein eine in der Messgenauigkeit verbesserte Variante mit dem Namen aLIGO (Advanced LIGO), die erst 2015 in Betrieb genommen wurde.

Der erste direkte Nachweis

Am 14. September 2015 wurde schließlich ein Signal an den Standorten in Hanford (Bundesstaat Washington) und Livingston (Louisiana) unabhängig voneinander detektiert. Das entscheidende Signal ist eine in der Amplitude schnell anwachsende Welle, die nach dem Verschmelzen der schwarzen Löcher wieder auf annähernd 0 herabfällt. Das ganze Ereignis dauerte nicht länger als 150 ms. Zu diesem Zeitpunkt waren die anderen Gravitationswellendetektoren abgeschaltet oder nicht im Observationsmodus, weswegen das Signal nur von den zwei genannten Detektoren erfasst werden konnte.

Nach der Entdeckung wurden zunächst mögliche Fehlerquellen ausgeschlossen. Sensoren, die während des Betriebs eine Messung von Störungen aus der Umgebung vornehmen, zeigten keine Störung an, die stark genug wäre, das Signal zu erklären. Auch die Instrumente wurden untersucht und es konnte ausgeschlossen werden, dass das Signal auf einen Fehler der Instrumente zurückzuführen ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass das gemessene Signal auf Hintergrundrauschen zurück zu führen ist, wird mit 0,0002% angegeben, was einer faktischen Entdeckung gleichkommt.

Eine neue Ära der Weltraumerkundung
Oft wurde der Vergleich bemüht, dass der direkte Nachweis dieser Wellen der Entdeckung des elektromagnetischen Spektrums gleichkäme: Man könne nun das Universum mit anderen Augen betrachten und das gravitative Universum entdecken. Diese Annahme ist nicht falsch, denn bereits mit dieser ersten Entdeckung wurden Vorgänge beobachtet, die mit unseren bisherigen Beobachtungsmöglichkeiten nicht detektierbar gewesen wären. Da schwarze Löcher, wenn sie nicht gerade von einer Scheibe aus Materie umgeben sind oder ihre Umgebung sichtbar beeinflussen, unsichtbar sind, wäre das sehr kurze Ereignis zweier verschmelzender schwarzer Löcher anders als über ihre Gravitationswellen nicht detektierbar gewesen. Dass binäre Systeme schwarzer Löcher existieren, war bis zu ihrer Entdeckung im vergangenen September auch nur eine theoretische Annahme.

Die Forschung erhofft sich weiterhin Einblicke in die gewaltigsten Ereignisse des Universums wie zum Beispiel Urknall und Supernovae und Erkenntnisse über die massereichsten Körper wie Neutronensterne. Auch die mysteriöse dunkle Materie, die bisher lediglich indirekt über ihre gravitative Wirkung nachgewiesen wurde, könnte mit Hilfe der Gravitationswellen untersucht werden.

In Zukunft sollen die Detektoren auf der Erde in ihrer Messgenauigkeit verbessert werden, um auch kleinere Ereignisse beobachten zu können. Mit eLISA ist außerdem für das Jahr 2034 ein Weltraumobservatorium für Gravitationswellen geplant. Eine Vorgängermission, LISA Pathfinder, wurde Ende letzten Jahres ins All geschickt und wird Anfang März beginnen, die anspruchsvolle Technik für eLISA zu erproben.

Die Gravitationswellenastronomie bietet ein großes Potential, unser Universum noch besser zu verstehen und vielleicht auch gänzlich neue, überraschende Entdeckungen zu machen.

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• Gravitationswellen

Der Beitrag Gravitationswellen erstmals direkt nachgewiesen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Astrium, NASA, SpaceTech GmbH.

In Grace-FO steht FO für Follow On, auf Deutsch Nachfolger. Der Namensbestandteil Grace ist die Abkürzung für Gravity Recovery and Climate Experiment und beschriebt die Aufgaben der Raumfahrzeuge. Sie dienen der Bestimmung der zeitlichen Veränderung des Schwerefeldes Erde, an Hand derer man Erkenntnisse über dynamische Vorgänge im Inneren der Erde, über Strömungen in den Tiefen der Ozeane und an ihren Oberflächen sowie die Veränderung der Eisbedeckung von Arktis und Antarktis und in Gebirgen gewinnen kann.

Mit dem ersten Satellitenpaar war es Wissenschaftlern zum ersten Mal überhaupt möglich, die Masse des Wassers, von Eis und von beweglichem soliden Material auf der Oberfläche der Erde zu bestimmen. Die beiden zu Grace gehörenden, auch bei Astrium gebauten Satelliten befinden sich seit dem 17. März 2002 im All. Sie haben ihre Auslegungsbetriebsdauer bereits deutlich überschritten. Die Raumfahrzeuge für Grace-FO sollen ab August 2017 im Weltraum arbeiten und ihren Aufgaben mindestens fünf Jahre lang nachkommen.

Die beiden neuen, voraussichtlich etwa 580 kg schweren Satelliten mit den Abmessungen von rund 3 x 2 x 0,8 m sollen auf polaren Umlaufbahnen in circa 500 km über der Erdoberfläche zum Einsatz kommen. Dort werden sie laut Plan in rund 220 km Abstand hintereinander her fliegen und dabei fortlaufend geringste Veränderungen der Entfernung zwischen ihnen aufzeichnen. Die Veränderungen sind Ergebnis des variierenden Schwerefeldes der Erde, dessen Schwankungen auf diese Weise kontinuierlich bestimmt werden können. Ein vollständiges Modell des Schwerefeldes für die gesamte Erdoberfläche wird nach jeweils 30 aufeinander folgenden Messtagen vorliegen.

Von Grace-FO erwartet man besonders genaue Daten. GPS-Empfänger an Bord der Satelliten können minütlich Updates der Positionsdaten besorgen, und eine Mikrowellenverbindung zwischen den beiden Satelliten erlaubt eine Bestimmung der Entfernung zwischen den Satelliten mit einer Genauigkeit von einigen tausendstel Millimetern.

Eine zusätzliche Neuigkeit stellt das dann zwischen Satelliten im Weltraum betriebene Laserinterferometer (Laser Ranging Instrument, LRI) dar. Im Gegensatz zu den Vorgängermodellen wird es bei Grace-FO möglich sein, den Abstand von Satellit zu Satellit zusätzlich mit Laserlicht zu bestimmen. Die dabei erzielbare Genauigkeit liegt voraussichtlich im Bereich einiger Nanometer. Den Bau des experimentellen Instruments zur Laserabstandsmessung übernimmt das Labor für Strahlantrieb (JPL, Jet Propulsion Lab) der NASA zusammen mit dem US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtkonzern Ball Aerospace. Entwicklungsarbeiten zum Entwurf des optischen Systems erledigen das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und die SpaceTech GmbH, Immenstaad. Die eigentlichen Laser des deutschen Entwurfs steuert Tesat-Spacecom bei.

Neben den technischen Einrichtungen zur Gewinnung der Daten zum Schwerefeld der Erde will man Grace-FO auch mit Instrumenten zur Aufzeichnung von Temperaturprofilen und dem Gehalt an Wasserdampf in Atmosphäre und Ionosphäre ausstatten.

Die Vereinbarung mit NASAs JPL über den Bau von Grace-FO wurde nach Angaben von Astrium am 29. November 2012 in Friedrichshafen unterzeichnet.

Datenblatt der SpaceTech GmbH zum Laser Ranging Instrument:

• LRI Datasheet (PDF)

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: ESO. Vertont von Peter Rittinger.

Damit ergibt sich ein Auflösungsvermögen, welches einem riesigen 130-m-Teleskop entspricht. Beim Weiterleiten und Vereinigen der Lichtbündel der einzelnen Teleskopeinheiten muss eine Exaktheit erreicht werden, die im Mikrometerbereich liegt. Das PIONIER genannte Interferometer (Precision Integrated-Optics Near-infrared Imaging ExpeRiment) hat dagegen überschaubare Abmessungen, der Detektor gar nur Scheckkartenformat.

Durch die Überlagerung kohärenter Lichtbündel, die beispielsweise aus einer Lichtquelle stammen, erreicht man unter bestimmten Bedingungen Verstärkungseffekte. Diese sind bei exakt gleich langem Lichtweg maximal. Aufgrund der Tatsache, dass man durch die mehrere Dutzend Meter auseinanderstehenden Teleskope leicht unterschiedliche Blickwinkel von einem weit entfernten, kosmischen Objekt hat, gewinnt das Bild zudem an Plastizität und Struktur. Jedes der vier Teleskope kann zudem etwa 4 Milliarden Mal mehr Licht sammeln als das menschliche Auge. Damit ergeben sich neue Wahrnehmungsgrenzen.

Mit diesen neuen Möglichkeiten will man nun versuchen, unter anderem Anzeichen für die Entstehung neuer Planeten in anderen Sternsystemen zu finden, die Beschaffenheit und Entwicklung von Sternen anhand von Oberflächenparametern zu klären oder ein besseres Verständnis für die komplizierten Vorgänge in der direkten Umgebung von Schwarzen Löchern zu entwickeln.

Das Very Large Telescope befindet sich neben weiteren Einrichtungen der ESO auf dem Cerro Paranal in der chilenischen Atacama-Wüste. Das weitgehend in den 1990er Jahren entwickelte und gebaute Instrumentarium wurde am 1. April 1999 offiziell in Betrieb genommen. Vor 10 Jahren gelangen erste interferrometrische Aufnahmen mit drei der vier Teleskope. Mit der jetzt erreichten Überlagerung der Lichtbündel aller vier Teleskope erreicht man die Maximalleistung des Systems. Das VLT verfügt über eine Vielzahl von optischen Instrumenten wie Spektrographen, Spektrometer und Kameradetektoren sowie eine adaptive Optik, durch welche Luftbewegungen weitgehend ausgeglichen werden können.

Raumcon:

• VLT-Thema

Der Beitrag 4 mal 8 ergibt 130! erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut Hannover, AEI).

Als Gravitationswellen bezeichnet man Wellen in der Raumzeit, die den Raum durchqueren und ihn dabei stauchen und strecken. Der Nachweis von Gravitationswellen ist außerordentlich schwierig, direkt ist er noch nie gelungen. Gravitationswellen werden von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt.
Zum Auffinden dieser Wellen werden Interferometer verwendet, die hindurchwandernde Gravitationswellen in Echtzeit beobachten sollen, indem die lokalen Änderungen der Raumzeit-Eigenschaften die empfindliche Interferenz zweier Laserstrahlen verändern. Aktuelle Experimente dieser Art wie GEO600 (Deutschland/Großbritannien) und LIGO (USA) benutzen Lichtstrahlen, die in langen Tunneln hin- und herlaufen. Ein Unterschied in der Länge der Laufstrecke, wie er durch eine durchlaufende Gravitationswelle verursacht würde, könnte mittels Interferenz mit einem Kontrolllichtstrahl nachgewiesen werden. Um auf diese Art eine Gravitationswelle direkt zu detektieren, müssen minimale Längenänderungen – etwa 1/10.000 des Durchmessers eines Protons – in Bezug auf die Gesamtlänge der Messapparatur festgestellt werden. Diese Experimente laufen bereits seit einigen Jahren, konnten aber bisher noch nicht den erhofften Nachweis erbringen.

Die allen bekannten Laserpointer blinken gewöhnlich rot oder grün auf, aber nur mit einer schwachen Leistung von weniger als 1 Milliwatt. Die bisher in der Gravitationswellenastronomie benutzten Laser verfügen über Leistungen von 10-50 Watt. Sie sind somit etwa zehntausend Mal heller als die Lichtzeiger. Zudem sind die Laser für das menschliche Auge unsichtbar, denn sie arbeiten im infraroten Frequenzbereich. Die sehr starke Leistung und der Infrarotbereich machen solche Laser aber besonders wertvoll für Forschungszwecke. Die optischen Systeme der Gravitationswelleninterferometer sehen nämlich besonders scharf bei infraroten Wellenlängen und je höher die Leistung eines Lasers ist, um so präziser messen die Detektoren.

Der jetzt vom AEI und dem LZH neu entwickelte und gebaute Hochleistungslaser kommt bei der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren zum Einsatz. Er ist noch einmal um das rund Zehnfache stärker als seine Vorgänger. Er besitzt eine Leistung von 200 W bei einer Wellenlänge von 1.064 nm und zeichnet sich durch bisher unerreichte Stabilität von Leistung und Frequenz aus. Damit ist er weltweit der erste seiner Art, den die Wissenschaftler in einen Gravitationswellendetektor einbauen werden. Diese Entwicklung wurde auch durch SFB/TR7 ermöglicht.

Der 200-Watt-Laseroszillator wird eine neue Ära bei den Gravitationswellendetektoren starten und im Advanced LIGO, der Weiterentwicklung vom LIGO (Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium) Anwendung finden. Dieses Instrument wurde nochmals umfangreich verbessert; es kann jetzt, nachgerüstet mit dem neuen Hochleistungslaser, das 1000-fache Volumen mit der gleichen Empfindlichkeit wie bisher untersucht werden.

Verwandte Webseiten:

• Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik – Albert-Einstein-Institut

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

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.

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:

• LISA

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Ein Beitrag von Ingo Froeschmann. Quelle: SpaceDaily.

Laut String Theorie sind alle Dinge und Teilchen die wir um uns herum wahrnehmen können, aus demselben Stoff: kleine runde Strings (zu deutsch „Saiten“), deren verschiedene Vibrationen (etwa vergleichbar mit den Tönen eines Saiteninstruments) wir als Fundamentalteilchen wahrnehmen und aus denen jeder Stoff besteht. Aber ob diese Theorie tatsächlich der Realität entspricht, ist noch nicht bewiesen.

Vor einigen Tagen haben drei theoretische Physiker den bislang aussichtsreichsten Test vorgeschlagen um zu prüfen ob die Theorie richtig ist.

Der Ausgangspunkt ihrer Argumentation ist ein neues Gerät das demnächst in den Dienst gestellt werden wird: Das Laser Interferometer Gravitationswellen Observatorium, kurz LIGO. Mit diesem Gerät könnte ein Effekt der String Theorie nachgewiesen werden.

Wenn Physiker heute fundamentale Teilchen wie Elektronen, Quarks oder Photonen mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern betrachten, erscheinen die Teilchen immer wie winzig kleine Punkte, und nicht wie Saiten oder Fäden.

Um zu sehen, ob ein punktförmiges Teilchen in Wirklichkeit ein String ist, müste es einGerät geben, dass um 15 Grössenordnungen stärker vergrössert als die heute erreichten 13 Grössenordnungen. Und das wird wahrscheinlich niemals der Fall sein.

Deshalb haben die drei Physiker Joseph Polchinski von der Universität Santa Barbara (Kalifornien), Edmund Copeland von der Sussex Universität in England und Robert Myers von der Universität Waterloo in Kanada einen anderen Vorschlag. Sie wollen nach Gravitationswellen suchen, die von Strings erzeugt werden, die während des Urknalls entstanden sind.

Diese Suche wird drei Phasen haben, die bodengestützten Instrumente LIGO I und LIGO II und schliesslich der Satellit LISA. Mit jeder Stufe soll die Sensibilität der Geräte erhöht werden, um Gravitationswellen nachweisen zu können.

Gravitationswellen sind bisher noch nie direkt beobachtet worden und daher ist ihre Existenz auch noch nicht zweifelsfrei bewiesen. Genau das ist die Aufgabe der Experimente, und zusätzlich sollte es, nach den Vorstellungen der drei Physiker, dann auch möglich sein die String Theorie zu testen.

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Ein Beitrag von dominikpuckert. Quelle: ESA.

Wissenschaftler untersuchen ein Weltraum-Phänomen, dass sich unseren bisherigen Vorstellungen von Schwerkraft nicht anzupassen scheint.

Gravitation ist eine der grundlegenden Naturkräfte, die das Universum um uns herum formt und das Zusammenspiel zwischen Planeten, Sternen und Galaxien verantwortet. Je mehr sich die Wissenschaft mit dem Thema befasst, desto mehr Fragen bleiben offen. Ein Beispiel ist Die sogenannte „Pioneer Anomalie“. Benannt nach den NASA-Raumsonden Pioneer 10 und 11, an denen ein Phänomen beobachtet wurde: Eine unbekannte Kraft bremste sie ab. Schon länger hat es den Anschein, als gebe es im Universum, „zu viel“ Gravitation. Forscher beobachten die Folgen von scheinbar unzuordnungsfähigen Gravitationskräften.
Manche Forscher schieben die herrenlose Gravitation auf die umstrittene Dunkle Materie, andere vermuten eine bisher unbekannte, schwache Naturkraft, die nur in den entferntesten Regionen des All wirkt. Eine dritte Position besagt, dass Gravitation in extremer Entfernung „einfach ein bisschen stärker zieht“, als bisher angenommen. Genaues weiß man nicht.

Die ESA hat dabei vor allem Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie im Visier, denn sie ist u.a. Grundlage der heutigen Gravitationsforschung. Eine Mission wird Einsteins so genanntes Äquivalenzprinzip hinzuziehen. Dieses besagt, dass alle Objekte von der Gravitation in der gleich schnell beschleunigt werden. Entdeckt die ESA Objekte, die dieses Modell verletzen, dann wäre dies der Beleg auf eine neue Art von Gravitation, die Quantengravitation

Mit dem Konzept einer Quantengravitation hoffen Astronomen Einsteins Relativitätstheorie mit den Gesetzen der Quantenphysik zu verknüpfen. Unserem bisherigen Wissen nach soll die Quantengravitation auf „Körnerstruktur“ des Weltalls zurückzuführen sein. Diese „Weltraumkörnchen“ soll Hyper, eine weitere Mission der ESA, untersuchen.

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