LISA Pathfinders neues Fenster zum Kosmos

Im Alltag begegnen uns keine Gravitationswellen, und selbst Experten müssen einen hohen Aufwand treiben, um die mysteriösen Wellen nachzuweisen. Albert Einstein fand vor einem Jahrhundert heraus, dass sie von beschleunigten Massen ausgehen. Der geniale Physiker ging jedoch davon aus, dass Gravitationswellen wahrscheinlich immer unbeobachtbar bleiben werden, von ihrer Existenz war er trotzdem überzeugt. „Die Wechselwirkung zwischen Gravitationswellen und Materie ist extrem schwach“, erklärt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Instutut für Gravitationsphysik und Professor an der Leibniz Universität in Hannover. „Das macht es so schwierig, sie zu messen.“

Manchmal werden die Wellen als „Kräuselungen“ der Raumzeit bezeichnet. Anders als das Licht gehören sie nicht zu den elektromagnetischen Wellen, sie breiten sich aber mit Lichtgeschwindigkeit aus. Objekte, die von ihnen getroffen werden, erfahren kurzzeitige Dehnungen und Stauchungen, weil der Raum, den diese Objekte einnehmen, gedehnt und gestaucht wird.

Doch der Effekt ist winzig. Selbst eine Sternexplosion in einer Nachbargalaxie bewirkt nur winzige Längenänderungen. Die Distanz Erde-Sonne ändert sich dadurch beispielsweise um den Durchmesser eines Wasserstoffatoms, also rund 0,0000001 Millimeter – und das lediglich für wenige Millisekunden.

Einblick in gewaltige Prozesse

Bislang wurden Gravitationswellen nur indirekt beobachtet. Welche fundamentale Bedeutung bereits diesem indirekten Nachweis zukommt, zeigte die Vergabe des Physik-Nobelpreis an die beiden US-Astrophysiker Hulse und Taylor im Jahr 1993 (siehe unten: Gravitationswellen: Radioastronomen fanden die ersten Hinweise). Doch indirekte Nachweise reichen den Forschern nicht, sie setzten auf direkte Beobachtungen. Danzmann: „Mit den Möglichkeiten der Gravitationswellenastronomie wird sich uns ein völlig neues Fenster ins Weltall auftun.“ Es geht um offene Fragen der Astrophysik: Was passiert beim Crash zweier Schwarzer Löcher? Welche Prozesse regieren beim Kollaps eines massiven Sterns in einer Supernova-Explosion? Wie sehen Neutronensterne in ihrem Innern aus? Und schließlich: Was geschah am Beginn unseres Universums, dem Urknall? Bei all diesen Prozessen spielen Gravitationswellen eine entscheidende Rolle.

Beharrlich arbeiten Forscher daran, dieses neue Fenster aufzustoßen. Verteilt über den Globus existiert bereits ein Netzwerk von mehreren Gravitationswellen-Teleskopen, in den USA, in Japan und Italien sowie das deutsch-britische GEO600 bei Hannover, dessen regulärer Betrieb vor zehn Jahren begann. Ebenso wie die anderen Anlagen funktioniert GEO600 als Michelson-Interferometer. Das ist ein optisches Instrument des 19. Jahrhunderts. Ausgerüstet mit modernster Technik des 21. Jahrhunderts sollen diese Anlagen Gravitationswellen aufspüren.

Beispielsweise wird, um das Laserlicht des Interferometers zu verstärken und die Empfindlichkeit der Detektoren zu steigern, unbenutztes Licht „recycelt“, indem es immer wieder in die Anlage zurückgespeist wird.

Doch am Erdboden können nur bestimmte Gravitationswellen beobachtet werden, solche mit besonders niedrigen Frequenzen bleiben unsichtbar. Das soll sich mit eLISA („evolved Laser Interferometer Space Antenna“) ändern, dem Projekt eines Gravitationswellen-Teleskops im Weltall. Die ESA plant es als künftige L-Klasse-Mission. Drei baugleiche Satelliten sollen in einer stabilen Dreiecksformation im All stationiert werden. Die „Armlänge“ dieses gewaltigen Interferometers soll eine Millionen Kilometer betragen; der Starttermin wäre 2034.

Der nächste Schritt: Riesige Interferometer im All

Und hier kommt die LISA-Pathfinder-Sonde ins Spiel, die momentan in Kourou auf der Startplattform steht. Sie soll eLISA den Weg bahnen, indem sie kritische Technologien für das weltraumgestützte Gravitationswellen-Teleskop unter Realbedingungen, also im All, testet. Die Pathfinder-Sonde ist zweigeteilt, sie besteht aus einem Wissenschaftsmodul und einem Antriebsmodul. Sobald die Sonde sich in der Umlaufbahn befindet, wird sie vom Antriebsmodul rund 1,5 Millionen Kilometer in Richtung Sonne gebracht, weg von den gravitativen Störungen, die von der Erde ausgehen. Kurz vor dem Ziel wird das Antriebsmodul abgetrennt.

Herzstück des Wissenschaftsmoduls ist ein Laser-Interferometer. Gemessen werden damit die Abstandsänderungen zwischen zwei hochpräzisen, je 1,96 Kilogramm schweren Testmassen aus einer Gold-Platin-Legierung. Im All angekommen, werden beide Testmassen mit einem empfindlichen Mechanismus entriegelt. Danach werden die Testmassen anfangs durch ein elektrisches Feld in der Schwebe gehalten, dann lässt man erst eine und dann beide Massen in Laserrichtung frei fliegen, um den perfekten freien Fall zu vermessen. Denn mit dem Interferometer ist die relative Position und Ausrichtung der rund 40 Zentimeter voneinander entfernten Testmassen sehr präzise messbar.

Hochpräzise Abstandsmessung

Die Genauigkeit ist dabei besser als 0,01 Nanometer, also weniger als ein Millionstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Diese kritischen Technologien, die später eLISA benötigt, werden mit LISA Pathfinder erstmals im Weltall getestet, Danzmann fungiert als Co-Principal-Investigator („Co PI“) der Mission.

Noch ist der direkte Nachweis von Gravitationswellen Zukunftsmusik. Karsten Danzmann ist optimistisch, dass er schon bald gelingen wird – zweifellos wäre das Thema ein Topkandidat für den Physik-Nobelpreis. Ob der Nachweis zuerst am Boden oder doch im Weltall passiert, muss die Zukunft zeigen. Dass die Gravitationswellen künftig den Astrophysikern ganz neue Einsichten in den Kosmos gewähren, dazu wird LISA-Pathfinder bereits jetzt einen wichtigen Beitrag leisten.

Gravitationswellen: Radioastronomen fanden die ersten Hinweise

Der Pulsar PSR 1913+16 ist etwas Besonderes. Zusammen mit einem weiteren Neutronenstern umkreisen beide ihren gemeinsamen Schwerpunkt. Messungen zeigten außerdem, dass PSR 1913+16 in jeder Sekunde 17-Mal um seine eigene Achse wirbelt. Die Radioastronomen konnten dem exotischen Doppelstern noch weitere Geheimnisse entreißen: Die Bahnen sind keine Ellipsen, beide bewegen sich vielmehr auf immer engeren Spiralen. Das zeigen ihre abnehmenden Umlaufzeiten, die pro Jahr um 75 Mikrosekunden kürzer werden. Bei der Erklärung versagt die klassische Physik – doch die Relativitätstheorie Albert Einsteins weiß Rat: Das System verliert Energie durch Abstrahlung von Gravitationswellen. PSR 1913+16 gilt deshalb als indirekter Beweis für die Existenz von Gravitationswellen. Dafür wurden die US-Forscher Russel Hulse und Joseph Taylor 1993 mit dem Nobelpreis für Physik belohnt.