Kosmischer Wellen-Surfer

Kosmischer Wellen-Surfer

Like This Video 0 Susanne
Added by 13. September 2017


 

Mit dem Satelliten LISA soll die Gravitationswellenforschung künftig in den Weltraum abheben

 

Nachdem 2015 im irdischen Labor des Projektes LIGO die ersten Gravitationswellen nachgewiesen werden konnten, plant die ESA für 2034 eine Mission, mit der ihr Nachweis auch in einer Messanlage im Weltraum folgen soll. Die interferometrische Messanlage, deren wichtige Schlüsseltechnologien mit LISA Pathfinder 2017 erfolgreich getestet wurden, soll es ermöglichen, Gravitationswellen deutlich länger zu beobachten und sie bis zum Ursprung des Universums aufzuspüren. Forscher gehen zudem davon aus, dass sie sich damit erstmals auch bekannten astrophysikalischen Objekten zuzuordnen lassen. Damit könnte die Gravitationswellenforschung eine neue Sichtweise auf die Untersuchung der bisher elektromagnetisch bestimmten Astrophysik öffnen.

 
Sprechertext der Sendung:
 
O-Ton Prof. Dr. David Reitze – CalTech & LIGO Lab Executive Director CalTech
(Übersetzung) Vor vierhundert Jahren hat Galileo ein Fernrohr in den Himmel gerichtet und damit die Ära der modernen astronomischen Beobachtung begründet. Ich glaube, dass wir heute etwas vergleichbar Wichtiges tun. Wir öffnen mit der Gravitationswellenforschung ein neues Fenster in dem Himmel.

Gravitationswellen – für Himmelsforscher sind sie ein Schritt in Neuland. Bis vor kurzem haben wir Sterne und Galaxien ausschließlich im elektromagnetischen Spektrum beobachtet. Damit lässt sich vor allem die äußere Erscheinungsform von Himmelsobjekten erschließen. Gravitationswellen erlauben künftig eine komplementäre Sicht auf den Kosmos: Sie lassen uns viel tiefer ins Innere großer Massenansammlungen blicken. Ihren Ursprung haben Gravitationswellen in der vierdimensionalen Raumzeit. Postuliert hat sie schon Albert Einstein vor hundert Jahren in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Seither suchten Forscher nach Indizien und Beweisen ihrer Existenz. Erreichen sie die Erde, dann verändern sie den vierdimensionalen Raum um uns herum – quetschen und dehnen seine Geometrie, ohne dass wir selbst davon irgendetwas merken. Aber können wir sie trotzdem experimentell in der dreidimensionalen Welt beobachten?

Ende der siebziger Jahre gelang erstmals ein indirekter Nachweis – damals mit Pulsaren. Sie senden normalerweise ein exakt getimtes Signal aus, wie ein himmlischer Leuchtturm. Bei einigen dieser Himmelsexoten nimmt allerdings die Umlaufperiode im Lauf der Jahre stetig ab, verursacht durch die Gravitationswirkung eines massereichen nahen, aber für uns unsichtbaren Sternpartners. Mit solchen Pulsaren in Doppelsystemen lässt sich unter anderem feststellen, wie viel Energie die beiden Sterne bei ihrer Annäherung verlieren. Und dieser Wert entspricht genau jenem, den auch die Einsteinsche Theorie für die Abstrahlung von Gravitationswellen fordert.

Ein erster indirekter Beweis! Doch der gilt in der Wissenschaft nur als zweite Wahl.

Forscher haben deshalb seit den sechziger Jahren versucht, Gravitationswellen experimentell nachzuweisen. Doch erst mit der Laser-Interferometrie haben sie eine geeignete Technologie dafür erhalten. Sie wurde im amerikanisch geführten Projekt LIGO (Einblendung: LIGO = Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) erstmals in genügend großer Dimension aufgebaut. Das charakteristische Merkmal der beiden identischen Anlagen: (Einblendung: Livingston und Hanford) die vier Kilometer langen „Arme“, in denen Vakuumröhren laufen.

Und hier ein Blick auf die Technologie der Messanlage (Einblendung: Laserquelle – Strahlensplitter – Reflektoren – Detektor). Laserlicht einer Quelle wird gesplittet und auf eine lange Reise durch die Tunnel geschickt. An deren Ende befinden sich in genau gleicher Entfernung zwei Spiegel; sie reflektieren das Laserlicht. Die Strahlen treffen wieder zusammen und überlagern sich dann gegenseitig. Der Photodetektor bleibt dunkel, wenn die Wellen perfekt gleich, also unverändert zurück geworfen werden. Die Spiegel arbeiten nicht nur als Reflektoren des Laserlichts, sondern sind gleichzeitig die Testmassen für die Gravitationswellen. Werden sie von ihnen erfasst, verschieben sich die reflektierten Wellen gegeneinander. Dadurch entstehen im Detektor Interferenzen, die gleichzeitig ein Maß für die Stärke der Gravitationswellen sind – und damit auch für die Entfernung ihres Ursprungs.

Seit 2002 machen die LIGO-Wissenschaftler Jagd auf solche extrem langen Wellen aus dem Universum, im Bereich von etwa 10 bis 10.000 Hertz – auf der Suche nach minimalen Bewegungen der Reflektoren, die nicht größer sind als ein tausendstel des Durchmessers eines Atomkerns. Der Ursprung des Phänomens hat aber ganz andere Dimensionen: Es sind gewaltige kosmische Kollisionen, die zwei Schwarze Löcher verschmelzen lassen.

O-Ton Prof. Dr. Kip Thorne – CalTech & Mitgründer Projekt LIGO
(Übersetzung) Ich zeige hier gleich ein Video. Unten sieht man die vom Rauschen bereinigte Gravitationswelle. Sie harmoniert wunderbar mit der Wellenform, die Simulationen vorhersagen. Die Farben zeigen die Veränderungen des Zeit: grün zeigt sie im normalen Fluss. In den gelben Regionen ist sie um 20 bis 30 Prozent verlangsamt, in den roten ist sie extrem verlangsamt. Jetzt weiter in Slow Motion. Ich stoppe, wenn die extreme Raumzeitkrümmung erreicht ist. In Pink und Blau breiten sich die Gravitationswellen Richtung Erde aus und tragen so die Nachricht der Kollision zu ihr. Der Sturm war sehr kurz, im Bereich von Millisekunden, aber sehr mächtig. Der Energieausbruch bei der Kollision war 50 Mal größer als die gesamte Energie, die in der gleichen Zeitspanne von allen Sternen des Universums zusammen genommen ausgeht. Aber weil dieser Ausstoß nur so kurz andauert, ist die Energie, die dabei abgestrahlt wird, vergleichsweise gering. Sie entspricht drei Sonnenmassen, die dabei nihiliert und in Gravitationswellen umgesetzt werden.

Für Gravitationswellenforscher gibt es ein großes Problem, das in der Vergangenheit schon zu einigen Falschmeldungen von Entdeckungen geführt hat. Im Betrieb muss sichergestellt sein, dass die Reflektoren der Versuchsanordnung nicht durch ganz andere, nämlich durch irdische Einflüsse vibrieren. Denn nicht nur seismische Effekte im Erdinneren oder Stürme, die zu starker Brandung führen, reichen aus, um die Reflektoren in kleinste Schwingung zu versetzen. Ja, manchmal sind es sogar die Erschütterungen von in der Entfernung vorbei fahrenden Zügen oder Lastwagen, die die Spiegel zum Schwingen bringen. Meldet also der Detektor ein Signal, ist zuerst einmal ein Fehlalarm nicht auszuschließen. Und das, obwohl die Spiegel in einer speziellen Vorrichtung weitgehend erschütterungsfrei aufgehängt sind, wie Rai Weiss hier demonstriert. Selbst diese Vorsichtsmaßnahme bietet nicht ausreichend Sicherheit vor falschen Ergebnissen. Deshalb muss die identische Messung auch in beiden 3000 Kilometer voneinander entfernten Anlagen zeitgleich nachgewiesen werden. Zudem werden die Signale in der nachgelagerten Phase der Datenauswertung mit theoretischen Modellen und numerischen Simulationen verglichen.

Hier also kam es am 14. September 2015 erstmals zum Nachweis von Gravitationswellen – Irrtum dieses Mal ausgeschlossen, sagen Projektverantwortliche!

O-Ton Prof. Dr. David Reitze – CalTech & LIGO Lab Executive Director
We have detected gravitational waves. We did it!

Die LIGO-Wissenschaftler können sagen, wie weit entfernt das Ereignis von uns stattgefunden hat (Einblendung: 1,3 Milliarden Lichtjahre), sie wissen allerdings nur ungefähr, aus welcher Richtung die Wellenfront kommt. Es gibt daher auch bei den bisher beobachteten vier Gravitationswellen-Signalen keine Möglichkeit, ihren Ursprung so zu lokalisieren, dass sie einem schon bekannten Himmelsobjekt zugeordnet werden können. Neu entdeckte Gravitationswellen erhalten deshalb vorläufig nur Nummern, die den Tag der Entdeckung festhalten.

Doch Gravitationswellenforscher träumen schon von der Zukunft.

Prof. Dr. Rai Weiss – MIT & Mitgründer Projekt LIGO
(Übersetzung) Die Gravitationswellen, die wir sehen, kommen von Beschleunigungen direkt aus dem Inneren der jeweiligen Sterne. Dort hinein können wir mit elektromagnetischer Astronomie bisher nicht sehen. Es gibt da Plasma und alles mögliche drum herum, was die Strahlung abschirmt. Die Gravitationswellen dagegen kommen direkt aus dem Inneren und nichts kann ihre Ausbreitung verändern. Man findet damit heraus, was sich im System astrophysikalisch tatsächlich abspielt. Ich habe die große Hoffnung, wir werden in der Astrophysik extrem große Fortschritte bei vielen Arten von Phänomenen machen. Das ist das wirklich große Ding mit unserer Entdeckung. Es eröffnet uns die Möglichkeit, schon bekannte Phänomene aus einem ganz neuen Blickwinkel zu betrachten.

Dafür ist ein komplementäres Experimental-Setting erforderlich – eines, wie der Weltraum-Detektor LISA (Einblendung: Laser Interferometer Space Antenna). Das Projekt wurde im Juli 2017 von der Europäischen Weltraumbehörde ausgewählt. (Einblendung: geplanter Start: 2034) Mit der für den Weltraum fit gemachten Technologie sollen Gravitationswellen-Detektoren dann in den Weltraum abheben. Wie auf der Erde, so ist es auch im Weltraum nötig, die Spiegel möglichst von allen Störungen abzuschirmen, damit sie unbeeinträchtigt im freien Fall schweben können. Die Versuchsanordnung besteht aus drei baugleichen Satelliten. So spannt LISA ein Dreieck mit gewaltigen Messarmen auf. Jeder hat eine Länge von 2,5 Millionen Kilometern. Wie im Schlepptau verfolgt dieses Messlabor die Erde auf ihrem Lauf um die Sonne – in einer Entfernung von rund fünfzig Millionen Kilometern. (Einblendung: Freqeunzbereich 10 – 1 Hz) Auch im Weltraum gibt es unliebsame Störquellen – allerdings andere als auf der Erde. Da wären beispielsweise der elektromagnetische Strahlungsdruck der Sonne und die elektrische Aufladung durch die kosmische Strahlung sowie den Sonnenwind. Sogar die Eigengravitation des Satelliten ist ein Störfaktor.

O-Ton Dr. Jens Reiche – nationaler Kooprdinator LISA Pathfinder, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Dafür messen die Sensoren von LISA permanent die Position der Testmassen – und das mit einer Genauigkeit, die der Änderung des Abstandes von Sonne und Erde um den Durchmesser eines Atoms entspricht. Das Regelungssystem steuert mit diesen Daten die Minitriebwerke und balanciert die drei Sonden permanent aus. Es kann Minischübe bis hinunter zu einem Millionstel Newton präzise ausführen. Damit ließe sich gerade mal eine Schneeflocke in der Schwebe halten. Die Schlüsseltechnologie dieser filigranen Regelungstechnik hat übrigens mit der 2017 abgeschlossenen Mission LISA Pathfinder den Tauglichkeitstest schon bestanden, sodass die Gravitationswellenforschung künftig erfolgversprechend in den Weltraum anheben kann.

O-Ton McNamara – ESA-Projektleiter LISA Pathfinder
(Übersetzung) Bisher konnten Satellit und wissenschaftliche Nutzlast bei der Entwicklung als zwei getrennte Teile betrachtet werden. Mit LISA verschmelzen beide zu einer Einheit.

LISA soll es möglich machen, nicht nur tiefer hinein ins Universum der Gravitationswellen zu blicken, sondern auch ihren Ursprung besser zu orten. Denn das System kann Gravitationswellen über einen längeren Zeitraum als irdische Anlagen beobachten. So hoffen die Forscher, dass die isolierte Himmelsphysik der Gravitationswellen mit der elektromagnetischer Phänomene immer mehr verschmelzen wird. Gleichzeitig kann LISA – anders als bei der erdgebundenen Messung einzelner Ereignisse – das kosmische Rauschen des Verschmelzens weit entfernter Galaxien aufspüren – zurück bis in eine Zeit, in der sich nach heutiger kosmologischer Vorstellung die ersten Schwarzen Löcher erst heraus gebildet haben. Ob das tatsächlich so war? Dafür soll dann die neue „Trenddisziplin“ der Gravitationswellenforschung auch mit LISA wichtige Daten sammeln.

Erstsendung: September 2017
© 2017 mce mediacomeurope GmbH
© Vorschaubild: ESA

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