Reise an den Anfang des Universums

LISA wird das erste Weltraum-Observatorium für Gravitationswellen sein. Freischwebende Würfel aus Gold und Platin spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung.

Albert Einstein sagte ihre Existenz bereits 1916 voraus: Gravitationswellen. Auf Grundlage seiner Relativitätstheorie folgerte er, dass es kleinste Verzerrungen der vierdimensionalen Raumzeit geben müsse, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das All bewegen. Sie entstehen bei kosmischen Ereignissen, die gewaltige Energien freisetzen, etwa wenn Schwarze Löcher verschmelzen oder Sterne am Ende ihrer Lebenszeit explodieren.

Erst 100 Jahre nach Einsteins Prognose konnte bewiesen werden, dass die äußerst schwer nachzuweisenden Wellen tatsächlich existieren. An den LIGO-Observatorien in den USA gelang erstmals die direkte Messung von Gravitationswellen – ein Meilenstein in der Geschichte der Astronomie. Doch für die weitere Erforschung des Phänomens eignen die erdgestützten Systeme sich nur bedingt, denn ihre Messempfindlichkeit und Reichweite ist begrenzt. Zudem sind die Detektoren auf der Erde seismischen Störungen ausgesetzt.

Zurück bis zum Urknall?

Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) will deshalb 2037 das erste Gravitationswellen-Observatorium in den Weltraum schicken. Frei von irdischen Begrenzungen und Einflüssen soll Laser Interferometer Space Antenna (LISA) dort nach den winzigen Krümmungen in der Raumzeit suchen und dabei auch neue, sehr niedrige Frequenzbereiche aufspüren. Die Wissenschaftler erhoffen sich dadurch weiter als je zuvor zum Anfang des Universums zurückblicken zu können. Neue Erkenntnisse über Schwarze Löcher, Neutronensterne, vielleicht sogar den Urknall sind das Ziel.

Unterstützt wird das Projekt von vielen ESA-Mitgliedsstaaten, der NASA sowie Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen; erst kürzlich gab es grünes Licht für die nächste Entwicklungsphase. LISA wird aus drei Satelliten bestehen, die der Erde in etwa 50 Millionen Kilometern Abstand auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne folgen. Zwischen sich spannen sie ein Laserdreieck von je 2,5 Millionen Kilometern Seitenlänge auf. Sobald eine Gravitationswelle diese Konstellation durchläuft, verändern sich die Abstände zwischen den Satelliten. Doch diese Verschiebungen sind minimal, sie liegen im Größenbereich von Atomen. Um sie nachzuweisen, misst ein hochpräzises Lasersystem kontinuierlich die Entfernungen zwischen freischwebenden Testmassen im Inneren der Satelliten.

Mithilfe zweier Würfel aus Gold und Platin wurden die Schlüsseltechnologien des künftigen Gravitationswellen-Observatoriums LISA erfolgreich im Weltraum getestet. (Photo: ESA/ATG medialab)

Schwebende Edelmetalle im All

Dass das zugrundeliegende Messverfahren funktioniert, demonstrierte bereits vor einigen Jahren die Testmission LISA Pathfinder. Ende 2015 flog die Sonde ins All, an Bord zwei identische Würfel aus Gold und Platin, jeweils mit einer Kantenlänge von 45 Millimetern und knapp zwei Kilo schwer. Die Wahl fiel auf die Edelmetalle, weil die Testmassen nicht magnetisch sein durften, dafür eine gleichmäßige Dichte und gut leitende Oberfläche benötigten, erklärt Dr. Martin Hewitson, einer der beteiligten Forscher am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, gegenüber futurezone. Gold und Platin seien auch gute Reflektoren für die Laser.

Rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt wurden die Haltemechanismen der Würfel gelöst. Jenseits des Erdgravitationsfelds und weitestgehend abgeschirmt von äußeren Störfaktoren, schwebten die Testmassen anschließend frei und nahezu bewegungslos im Abstand von 38 Zentimetern nebeneinander. Mittels Laserinterferometrie konnten ihre Positionen zueinander und zum Satelliten mit extremer Präzision bestimmt werden. Die Genauigkeit übertraf die Erwartungen der Wissenschaftler sogar bei weitem: Das Messsystem könnte sogar ein Virus detektieren, das sich auf eine der Testmassen setzt und sie durch sein Gewicht aus der Bahn lenkt, sagte Karsten Danzmann, Direktor am Albert-Einstein-Institut in Hannover, anschaulich im Interview mit dem Deutschlandfunk.

Diese überaus erfolgreiche Demonstration der Schlüsseltechnologien bereite den Weg zur Entwicklung großer Weltraum-Observatorien, schreibt die Max-Planck-Gesellschaft. Sie könnten in nicht allzu ferner Zukunft Gravitationswellen von vielen exotischen Objekten im Universum nachweisen – und einen nie gekannten Blick ins All eröffnen.

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Beitragsbild: LISA Pathfinder Mission. Credit: ESA–C. Carreau