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Geschrieben am 07.06.2016 in Kategorie: Missionen "LISA Pathfinder" und "LISA"
ESAs Satelliten-Mission LISA Pathfinder hat erfolgreich Technologien für ein Gravitationswellen-Observatorium im Weltall demonstriert.
„Mit LISA Pathfinder haben wir den ruhigsten der Menschheit bekannten Ort geschaffen. Die Leistung der Mission ist spektakulär und übertrifft alle unsere Erwartungen bei weitem“, sagt Prof. Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover, der außerdem Co-Principal Investigator des LISA Technology Package ist.
Die Ergebnisse zeigen, dass die zwei Testmassen im Herz des Satelliten frei im Weltall fallen und nur dem Einfluss der Schwerkraft unterliegen. Die Isolation von äußeren Störkräften ist fünfmal besser als ursprünglich erwartet.
Das LISA-Pathfinder-Team präsentiert die Ergebnisse in einer Publikation, die heute in Physical Review Letters veröffentlich wurde. Unter den Autoren sind 20 Forschende des Albert-Einstein-Instituts und der Leibniz Universität Hannover. Das Team zeigt, dass die Testmassen relativ zueinander nahezu bewegungslos schweben. Die relative Beschleunigung beträgt weniger als ein Teil in zehn Millionen von einem Milliardstel der Erdbeschleunigung. Das entspricht der Gewichtskraft eines Virus' auf der Erde.
Diese erfolgreiche Demonstration der Schlüsseltechnologien bereitet den Weg zur Entwicklung großer Weltraum-Observatorien, die Gravitationswellen von einer Vielzahl exotischer Objekte im Universum nachweisen können.
Einstein sagte Gravitationswellen aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorher. Sie wurden im September 2015 – 100 Jahre nach der Vorhersage – erstmals von den Advanced LIGO-Detektoren auf der Erde nachgewiesen. Observatorien im Weltraum wie eLISA werden existierende Detektoren auf der Erde ergänzen, indem sie niederfrequente Gravitationswellen messen, die sich auf der Erde nicht nachweisen lassen.
Die von LIGO empfangenen Signale haben Frequenzen im Bereich von 10 Hz bis zu mehreren 1000 Hz, doch Gravitationswellen umspannen ein viel breiteres Spektrum. Niederfrequente Gravitationswellen werden insbesondere von exotischen Ereignissen wie verschmelzenden extrem massereichen schwarzen Löchern bei Galaxienkollisionen erzeugt.
Die bei diesen Ereignissen abgestrahlten Gravitationswellen im Frequenzbereich von 0,1 mHz bis 1 Hz nachzuweisen erfordert es, winzige relative Längenänderungen zwischen Objekten im Abstand von Millionen von Kilometern nachzuweisen. Dies ist nur im Weltraum möglich, wo außerdem die Störeinflüsse irdischer Detektoren wie Seismik, thermisches Rauschen und Schwerkraftgradienten nicht existieren.
LISA Pathfinders Hauptziel ist die Demonstration von Schlüsselelementen eines solchen Observatoriums – und die Mission hat diese über jeden Zweifel erhaben gezeigt. LISA Pathfinder ist eine Mission der ESA. Daran beteiligt sind europäische Raumfahrtunternehmen unter der Systemverantwortung von Airbus DS, Forschungseinrichtungen aus Frankreich, Deutschland, Italien, den Niederlanden, Spanien, der Schweiz, und Großbritannien sowie die NASA.
Das Albert-Einstein-Institut und das Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover sind verantwortlich für und koordinieren die deutschen Beiträge zur Mission.
„LISA Pathfinder ist eine bemerkenswerte Mission. Sie hat etwas erreicht, das man selten in wegweisenden wissenschaftlichen Projekten sieht. Sie hat nicht nur die Anforderungen erfüllt, sondern sie bei weitem übertroffen“, sagt Dr. Jens Reiche, Nationaler Projektmanager für das LISA Pathfinder Technology Package am Albert-Einstein-Institut und der Leibniz Universität Hannover.
LISA Pathfinder startete am 3. Dezember 2015 und erreichte ihren Arbeitspunkt rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde in Richtung Sonne Ende Januar 2016. Die wissenschaftliche Mission begann am 1. März. Forschende führten Reihen von Experimenten durch, um die Schlüsseltechnologien für ein Gravitationswellen-Observatorium im All wie LISA zu testen.
Ein entscheidender Teil dieser Experimente ist zwei Testmassen in den freien Fall zu versetzen und ihre relativen Positionen zu überwachen während sie sich nur unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegen. Selbst im Weltraum ist dies eine Herausforderung, weil verschiedene Kräfte – wie der Sonnenwind und der Strahlungsdruck des Sonnenlichts – ständig den Satelliten und die Testmassen stören.
Daher sind in LISA Pathfinder zwei identische Testmassen (Würfel mit 46 mm Kantenlänge aus einer Gold-Platin-Legierung mit einer Masse von 2 kg) im Abstand von 38 cm durch den Satelliten von den Störeinflüssen abgeschirmt. Sie schweben im Inneren ohne mechanischen Kontakt zum Satelliten, der ständig seine Position und Ausrichtung korrigiert, um den Massen zu folgen.
Zwischen den zwei Testmassen befindet sich ein Laserinterferometer, das die Positionen und die Ausrichtung der beiden Testmassen relativ zum Satelliten und zueinander bestimmt. Dieses optische Präzisionsmesssystem wurde unter Federführung und mit maßgeblicher Beteiligung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und von der Leibniz Universität in Hannover entwickelt und gebaut.
“Diese Messungen des ersten Laserinterferometers im All sind viel besser als wir erwartet hatten. Wir können den Abstand der beiden frei fallenden Testmassen genauer als den Durchmesser eines einzelnen Atoms bestimmen“, sagt Apl. Prof. Gerhard Heinzel, Leiter der Forschungsgruppe Interferometrie im Weltraum am Albert-Einstein-Institut und der Leibniz Universität Hannover.
Während der gesamten Betriebsdauer sind Max-Planck- und Leibniz Universität-Forschende wichtige Partner bei der Datenanalyse, die von zentraler Bedeutung bei der Gewinnung entscheidender Informationen aus den Messdaten ist. Sie spielten zudem eine führende Rolle bei der Entwicklung der verwendeten Software. Das Institut hat einen Kontrollraum in Hannover eingerichtet, der für eingehendere Untersuchungen der Daten und zur Unterstützung für den Kontrollraum am Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt dient. Weil eine unmittelbare Datenanalyse für die Konfiguration nachfolgender Experimente erforderlich ist, nehmen Forschende des Instituts zudem am Schichtbetrieb am ESOC teil.
„Wir waren absolut begeistert als wir nach nur einem Tag das uns selbst gesetzte Ziel erreichten. Und wir wissen nun, dass die Leistung des Laserinterferometers die Messgenauigkeit für ein zukünftiges Gravitationswellen-Observatorium im All um mehr als das Hundertfache übertrifft“, sagt Dr. Martin Hewitson, LISA Pathfinder Senior Scientist vom Albert-Einstein-Institut und der Leibniz Universität Hannover, der die Entwicklung der Datenanalyse-Software LTPDA leitete.
„Niedersächsische Forscherinnen und Forscher haben an dieser Mission einen wichtigen Anteil. Durch die Vernetzung außeruniversitärer und universitärer Forschung ist es gelungen, exzellente Rahmenbedingungen zu schaffen, die zu den jüngsten herausragenden Erfolgen beigetragen haben. Damit ist diese Mission auch ein wichtiges Signal für den Wissenschaftsstandort Niedersachsen“, Andrea Hoops, Staatssekretärin im Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur.
Die Messungen und die Datenanalyse zeigen, dass die Testmassen nahezu bewegungslos sind. Sie haben außerdem mit nie zuvor erreichter Genauigkeit die meisten der verbleibenden winzigen Störkräfte identifiziert (s. Details in den Hintergrundinformationen).
Diese außergewöhnlichen Ergebnisse beweisen, dass die Kontrolle über die Testmassen im Wesentlichen auf dem für den Bau eines Gravitationswellen-Observatoriums im All erforderlichen Niveaus liegt. Sie zeigen, dass LISA Pathfinder die entscheidenden Schlüsseltechnologien bewiesen hat und den Weg für eine solches Observatorium wie LISA geebnet hat, das in der dritten „Large-class“ (L3)-Mission im Cosmic-Vision-Programm der ESA umgesetzt werden soll.
„Mit der von LISA Pathfinder erreichten Messgenauigkeit könnte ein Weltraumobservatorium wie LISA die Gravitationswellen von verschmelzenden extrem massereichen schwarzen Löchern in Galaxien im gesamten Universum nachweisen“, sagt Karsten Danzmann.
Die wissenschaftliche Missionsphase von LISA Pathfinder begann am 1. März und wird sechs Monate dauern, davon 90 Tage für das LISA Technology Package und 90 Tage für das Disturbance Reduction System, ein zusätzliches Experiment des Jet Propulsion Laboratory der NASA.
Der Aufruf für Missionskonzepte für die L3-Mission der ESA wird im Laufe des Jahres erwartet und die Entscheidung Anfang des Jahrs 2020.
Max-Planck- und Leibniz-Universität-Forschende in Hannover sind führende Partner in Forschung und Entwicklung der LISA-Mission, die ein internationales Konsortium koordiniert.
Die ersten zwei Monate von Messdaten zeigen, dass im Frequenzbereich zwischen 60 mHz und 1 Hz die Messpräzision von LISA Pathfinder nur durch die Genauigkeit des optischen Messsystems bestimmt wird, das die Position und Orientierung der Testmassen ermittelt.
Bei niedrigeren Frequenzen zwischen 1-60 mHz, ist die Kontrolle über die Testmassen durch Gasmoleküle bestimmt, die an die Würfel stoßen; eine geringe Anzahl von Gasmolekülen verbleibt im Vakuum, das die Testmassen umgibt. Die Stärke dieses Effekts nahm ab, während mehr und mehr Moleküle ins All entwichen. Man geht davon aus, dass sich dies in den kommenden Monaten weiter verbessert.
Bei noch niedrigeren Frequenzen unter 1 mHz stellten die Forschenden eine kleine Zentrifugalkraft fest, die auf die Würfel wirkt. Sie ist eine Folge der Bahnform von LISA Pathfinder und der Messgenauigkeit der Sternen-Navigationskamera, mit der LISA Pathfinder ausgerichtet wird.
Diese bei LISA Pathfinder auftretende Störkraft wird zukünftige Weltraumobservatorien wie LISA nicht beeinflussen. Dort befindet sich nur eine einzelne Masse in jedem Satelliten und ist mit den anderen über Millionen Kilometer lange Laserarme verbunden. Ebenso wären die Störeffekte durch Restgasmoleküle aufgrund der deutlich längeren Missionsdauer viel geringer.
LISA Pathfinder ist eine Mission der ESA. Daran beteiligt sind europäische Raumfahrtunternehmen unter der Systemverantwortung von Airbus DS, Forschungseinrichtungen aus Frankreich, Deutschland, Italien, den Niederlanden, Spanien, der Schweiz, und Großbritannien sowie die NASA.
LISA Pathfinder wird aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert.
AEI - Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)
Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik wurde 1995 von der Max-Planck-Gesellschaft gegründet. Aufgabe ist die Erforschung der Grundlagen der Gravitationstheorie.
Webseite: http://www.aei.mpg.de
