LISA – Horchposten im All

Über die neuste Version des bislang ehrgeizigsten Projektes der Gravitationswellenjäger – einen Detektor im Weltraum

Ein Artikel von Peter Aufmuth

Dieser Artikel gibt den Stand aus dem Jahr 2010 wieder. Ein aktuellerer Text aus dem Jahr 2024 ist hier zu finden.

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. 2017 hat die ESA LISA als dritte große (L3) Mission in ihrem Cosmic-Vision-Plan ausgewählt. LISA wird aus drei Satelliten im Abstand von Millionen Kilometern bestehen. Diese vermessen ihre gegenseitigen Abstände hochpräzise mit Laserlicht, um im Weltraum Gravitationswellen nachzuweisen. LISA wird irdische Gravitationswellen-Detektoren durch die Beobachtung der Raumzeitkräuselungen bei niedrigen Frequenzen ergänzen. Diese entstehen beispielsweise bei der Verschmelzung extrem massereicher Schwarzer Löcher und in Doppelsternsystemen. LISA ist also ein interferometrischer Detektor im Weltall, dessen Laserarme eine Million Kilometer lang sein werden.

Satelliten in Dreiecksformation

LISA wird drei Satelliten in eine erdähnliche Umlaufbahn um die Sonne bringen. Im Abstand von zweieinhalb Millionen 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 LISA-Dreieck selbst ist dabei stark vergrößert, und die drei Meter großen Satelliten wären in einer maßstabsgerechten Abbildung natürlich gar nicht erst zu sehen:

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

Ein fliegendes Interferometer

LISA wird aus einem Mutter- und zwei Tochter-Satelliten bestehen. Jeder Tochter-Satellit ist über einen 2,5 Millionen Kilometer langen Laserarm mit dem Mutter-Satelliten verbunden. Zusammen bilden sie ein riesiges Laserinterferometer. Durchquert eine Gravitationswelle LISAs 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 LISAs Schlüsseltechnologien. Die Laser erfassen jede Bewegung der Testmassen und messen so Gravitationswellen.

LISA 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 LISA 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.

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

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

Video: Max Planck Institute for Gravitational Physics/Milde Marketing Science Communication

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