Seit fast 100 Jahren suchen Wissenschaftler nach direkten Beweisen für die Existenz schwacher Wellen der Gravitationswellen im Gewebe der Raumzeit, die in Albert Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden. Heute ist die Jagd nach Gravitationswellen zu einer weltweiten Anstrengung geworden, an der Hunderte von Wissenschaftlern beteiligt sind. In Europa, den USA und Japan wurde eine Reihe großer bodengestützter Einrichtungen entwickelt, aber die anspruchsvollste Suche von allen wird bald im Weltraum stattfinden.
Professor Mike Cruise wird am Dienstag, dem 5. April, auf dem RAS National Astronomy Meeting in Birmingham ein gemeinsames ESA-NASA-Projekt namens LISA (Laser Interferometric Space Antenna) beschreiben. LISA soll 2012 starten und drei Raumschiffe umfassen, die in Formation um die Sonne fliegen. Damit ist LISA das größte wissenschaftliche Instrument, das jemals in die Umlaufbahn gebracht wurde.
LISA wird voraussichtlich die besten Erfolgschancen bei der Suche nach den aufregenden niederfrequenten Gravitationswellen bieten, sagte Professor Cruise. Die Mission ist jedoch eine der komplexesten technologischen Herausforderungen, die jemals unternommen wurden. Nach Einsteins Theorie werden Gravitationswellen durch die Bewegung großer Massen (z. B. Neutronensterne oder Schwarze Löcher) im Universum verursacht. Der Gravitationseinfluss zwischen entfernten Objekten ändert sich, wenn sich die Massen bewegen, genauso wie sich bewegende elektrische Ladungen die elektromagnetischen Wellen erzeugen, die Funkgeräte und Fernseher erfassen können.
Im Fall eines sehr leichten Atomteilchens wie dem Elektron kann die Bewegung sehr schnell sein, so dass Wellen in einem weiten Frequenzbereich erzeugt werden, einschließlich der Effekte, die wir Licht und Röntgenstrahlen nennen. Da die Objekte, die Gravitationswellen erzeugen, viel größer und massereicher als Elektronen sind, erwarten Wissenschaftler, dass sie Wellen mit viel niedrigerer Frequenz mit Zeiträumen zwischen Sekundenbruchteilen und mehreren Stunden erfassen.
Die Wellen sind in der Tat sehr schwach. Sie zeigen sich als abwechselndes Strecken und Zusammenziehen des Abstandes zwischen Testmassen, die so aufgehängt sind, dass sie sich bewegen können. Wenn zwei solcher Testmassen einen Meter voneinander entfernt wären, würden die Gravitationswellen der derzeit angestrebten Stärke ihre Trennung nur um 10e-22 Meter oder um ein Zehntausendstel Millionstel Millionstel Millionstel Meter ändern.
Diese Änderung der Trennung ist so gering, dass es ein echtes Problem ist, zu verhindern, dass die Testmassen durch den Gravitationseffekt lokaler Objekte und das seismische Rauschen oder Zittern der Erde selbst gestört werden, was die Empfindlichkeit der Detektoren einschränkt. Da jede Meterlänge im Abstand zwischen den Testmassen separat zu den winzigen Änderungen führt, nach denen gesucht wird, führt eine Vergrößerung der Länge des Abstands zwischen den Massen zu einer größeren Gesamtänderung, die erfasst werden könnte. Infolgedessen werden Schwerkraftwellendetektoren so groß wie möglich gemacht.
Aktuelle bodengestützte Detektoren legen Entfernungen von wenigen Kilometern zurück und sollten in der Lage sein, die Millisekundenperioden schnell rotierender Objekte wie Neutronensterne, die von Sternexplosionen übrig geblieben sind, oder die Kollisionen zwischen Objekten in unserer lokalen galaktischen Nachbarschaft zu messen. Es besteht jedoch ein starkes Interesse daran, Detektoren zu bauen, um nach Kollisionen zwischen massiven Schwarzen Löchern zu suchen, die bei Fusionen vollständiger Galaxien auftreten. Diese gewalttätigen Ereignisse würden Signale mit sehr niedrigen Frequenzen erzeugen - zu niedrig, um über dem zufälligen seismischen Rauschen der Erde beobachtet zu werden.
Die Antwort ist, in den Weltraum zu gehen, weg von solchen Störungen. Im Fall von LISA werden die drei Raumschiffe in Formation fliegen, 5 Millionen Kilometer voneinander entfernt. Zwischen ihnen verlaufende Laserstrahlen messen die durch Gravitationswellen verursachten Trennungsänderungen mit einer Genauigkeit von etwa 10 Pikometern (ein Hunderttausendstel Millionstel Meter). Da die Testmassen jedes Raumfahrzeugs vor verschiedenen Störungen geschützt werden müssen, die durch geladene Teilchen im Weltraum verursacht werden, müssen sie in einer Vakuumkammer im Raumfahrzeug untergebracht werden. Die erforderliche Präzision ist 1000-mal so hoch wie nie zuvor im Weltraum. Daher bereitet die ESA einen Testflug des Lasermesssystems in einer Mission namens LISA Pathfinder vor, die 2008 starten soll.
Wissenschaftler der University of Birmingham, der University of Glasgow und des Imperial College London bereiten derzeit in Zusammenarbeit mit der ESA und Kollegen in Deutschland, Italien, Holland, Frankreich, Spanien und der Schweiz die Instrumentierung für LISA Pathfinder vor. Wenn LISA im Orbit operiert, erwarten wir, das Universum durch das neue Fenster zu beobachten, das die Gravitationswellen bieten, sagte Cruise. Zusätzlich zu Neutronensternen und massiven Schwarzen Löchern können wir möglicherweise die Echos des Urknalls anhand von Gravitationswellen erkennen, die winzige Sekundenbruchteile nach dem Ereignis emittierten, das unser Universum auf seine aktuelle Entwicklung brachte.
Originalquelle: RAS-Pressemitteilung
