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eLISA - Horchposten im All

Die Möglichkeit, einen Gravitationswellendetektor gigantischen Ausmaßes zu bauen und die Abwesenheit der seismischen Störungen - des winzigen Zittern des Erdbodens -, die Gravitationswellenmessungen stören sind zwei gute Gründe, einen weltraumbasierten Gravitationswellendetektor zu bauen. Das Konzept für einen solchen Detektor namens LISA (Laser Interferometer Space Antenna) wurde in den vergangenen 20 Jahren gemeinsam von den europäischen und amerikanischen Weltraumbehörden ESA und NASA voran getrieben. Infolge Finanzierungsschwierigkeiten bei der NASA wird derzeit von der ESA eine Variante des ursprünglichen Konzepts geprüft, eLISA bzw. NGO genannt, die von der europäischen Seite allein finanziert werden könnte. eLISA, die "evolved Laser Interferometer Space Antenna" der ESA, ist ein interferometrischer Detektor im Weltall, dessen Laserarme eine Million Kilometer lang sein werden.

Satelliten in Dreiecksformation

eLISA wird drei Satelliten in eine erdähnliche Umlaufbahn um die Sonne bringen. Im Abstand von einer Million Kilometern zueinander fliegen diese in einer Dreiecks-Formation ähnlich einem "V" in einer Entfernung von etwa 50 Millionen Kilometer hinter der Erde her. Die Anordnung ist in der folgenden Abbildung skizziert; das eLISA-Dreieck selbst ist dabei stark vergrößert, und die drei Meter großen Satelliten wären in einer maßstabsgerechten Abbildung natürlich gar nicht erst zu sehen:

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[Bild: AEI/Milde Marketing/Exozet]

Die sich während einer Umlaufbahn verändernde Ausrichtung des Dreiecks erlaubt es den Forschern, die Richtung zu bestimmen, aus der die Gravitationswellen auf eLISA treffen.

Ein fliegendes Interferometer

eLISA wird aus einem Mutter- und zwei Tochter-Satelliten bestehen, die in einer Dreiecks-Formation ähnlich einem "V" auf einer erdähnlichen Umlaufbahn um die Sonne kreisen. Jeder Tochter-Satellit ist über einen 1 Million Kilometer langen Laserarm mit dem Mutter-Satelliten verbunden. Zusammen bilden sie ein riesiges Laserinterferometer. Durchquert eine Gravitationswelle eLISAs Laserarme, verändert sich durch Stauchung oder Streckung die Armlänge des jeweiligen Lasers. Dies wirkt sich auf die im Inneren des Satelliten frei schwebenden Testmassen aus. Sie sind neben den hochpräzisen und hochstabilen Lasern eine von eLISAs Schlüsseltechnologien. Die Laser erfassen jede Bewegung der Testmassen und messen so Gravitationswellen.

eLISA funktioniert ähnlich wie ein so genanntes Michelson-Interferometer. Allerdings teilt ein Michelson-Interferometer Licht mit Hilfe eines Strahlteilers auf, um es dann zu weiter außen liegenden Spiegeln zu schicken, an denen es zurück reflektiert wird. Bei eLISA schickt stattdessen der Mutter-Satellit einen Laserstrahl zu den beiden anderen Satelliten. Wegen der großen Entfernung ist der Laserstrahl bei der Ankunft zu schwach geworden, um reflektiert zu werden. Daher enthalten die empfangenden Tochter-Satelliten keinen Spiegel, sondern senden einen neuen Laserstrahl zurück. Dieser wird mit dem Originallaser vergleichen, um so die Änderung im Abstand der Satelliten zu messen. Längenänderungen der Arme können so mit einer Genauigkeit von Bruchteilen eines Picometers (1 Picometer = 10-12 Meter) gemessen werden. Wichtig dabei ist, dass die frei fallenden Testmassen in den Satelliten von äußeren Einflüssen, wie etwa dem Sonnenwind (einem von der Sonne unablässig ausgesendeten Teilchenstrom), absolut ungestört bleiben.

eLISA soll zum einen Signale aus der heißen Frühzeit des Universums auffangen, entsprechend einem Weltalter von winzigen Sekundenbruchteilen. eLISAs primäre Mission ist allerdings das Aufspüren und Studieren von Gravitationswellen, die von massereichen Schwarzen Löchern im Zentrum vieler Galaxien ausgehen. Außerdem wird eLISA die Signale von Tausenden von kompakten Doppelsternsystemen in der Milchstraße beobachten.

eLISA ist das Ergebnis von Jahrzehnten der Entwicklung im Bereich der Laserinterferometrie, der Triebwerkstechnologie und Sensorik. Diese Technik wird in der LISA-Pathfindermission im Jahr 2015 im Weltraum getestet werden, bevor eLISA 2034 ins Weltall startet. Federführend beteiligt ist in beiden Fällen das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik.EOF



Weitere Informationen

Die relativistischen Grundkonzepte, die diesem Vertiefungsthema zugrundeliegen, werden in Einstein für Einsteiger erklärt, insbesondere im Kapitel Gravitationswellen.

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Externe Links

Homepage der LISA-Mission

ESA-Seite zu LISA Pathfinder

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