Kürzlich hat die Europäische Weltraumorganisation (ESA) das erste experimentelle Projekt zur Messung von Gravitationswellen im Weltraum offiziell genehmigt. Das Projekt mit dem Namen „Laser Interferometrische Weltraumantenne“ (LISA) wird die massiven Wellen in der Raumzeit erfassen, die durch kosmische Ereignisse wie die Verschmelzung supermassiver Schwarzer Löcher ausgelöst werden, indem es den genauen Zeitpunkt der Ausbreitung eines Laserstrahls über 2,5 Millionen Kilometer im Inneren analysiert das Sonnensystem.
Die Europäische Weltraumorganisation gab am 25. Januar bekannt, dass der Bau der milliardenschweren Mission im Jahr 2025 beginnen wird, der Start ist für 2035 geplant. „Die Mission ist hochinnovativ und wird ein Fenster zu den Quellen von Gravitationswellen öffnen, die nur LISA erkennen kann“, sagte Valeriya Korol, Astrophysikerin am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garsing, Deutschland, die Mitglied der LISA-Kollaboration ist Team.
Was LISA im Vergleich zu bodengestützten Detektoren einzigartig macht, ist seine Fähigkeit, Gravitationswellen bei niedrigeren Frequenzen zu erfassen, was bedeutet, dass es Licht auf viel größere und weiter entfernte kosmische Phänomene werfen kann, wie zum Beispiel einander umkreisende Schwarze Löcher, die einen viel größeren Umfang haben und Entfernung als diejenigen, die erstmals 2015 vom bodengestützten Laser Interferometrischen Gravitationswellenobservatorium (LIGO) nachgewiesen wurden.
Das LISA-Projekt hat lange gedauert, erinnert sich Karsten Danzmann, Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover und Leiter des LISA-Konsortiums, der den Vorschlag für LISA ursprünglich vor 31 Jahren verfasste. Ziel des Experiments ist es, Gravitationswellen zu erkennen, indem die Entfernung (auf den nächsten Billionstel Meter genau) gemessen wird, in der sich ein Laser zwischen zwei Millionen Kilometer entfernten Massenpunkten bewegt, und zwar mit einer solchen Präzision, dass praktisch nichts anderes als die Raumzeit selbst die Bewegung von beeinflussen kann Die Massenpunkte. Karsten Danzmann ist zuversichtlich, dass das Projekt Früchte tragen wird: „Zuerst hielten die Leute die Idee für lächerlich, aber ich sagte ihnen, sie sollten einfach Geduld haben.“
LISA-Mission Goldenes Dreieck:Gravitationswellenerkennung im Weltraum
Das LISA-Programm wird aus drei einheitlich konfigurierten Raumfahrzeugen bestehen, die die Sonne in einer gleichseitigen Dreiecksformation umkreisen (Abbildung 1). Im Inneren jedes Raumschiffs befindet sich ein 4,6 cm langer schwebender Würfel aus Gold und Platin. Durch den Einsatz von Lasern zur genauen Messung der relativen Abstände zwischen diesen Würfeln ist LISA in der Lage, subtile räumliche und zeitliche Variationen, die durch Gravitationswellen hervorgerufen werden, mit sehr hoher Präzision (in der Größenordnung von Pikometern oder einem Milliardstel Millimeter) zu erfassen. Solche Veränderungen entstehen durch die beschleunigte Bewegung massiver Objekte. Diese feinen Messungen ermöglichen es LISA, die Quelle von Gravitationswellen zu lokalisieren, ein Gerät, das Valeriya Korol als „ein Instrument aus der Science-Fiction“ beschreibt.
Abbildung 1 Konzeptdiagramm der Raumsonde der LISA-Mission. 3 Satelliten werden ein Dreieck im Orbit um die Sonne bilden.
Karsten Danzmann weist darauf hin, dass trotz der Herausforderungen, hochpräzise Messungen in solchen Entfernungen durchzuführen, die Weltraumumgebung für solche Experimente viel förderlicher ist als der Boden. Das Fehlen von Vibrationen, atmosphärischen Störungen und anderen Schwingungen im Weltraum sorgt für ein nahezu perfektes Vakuum für Experimente. Die Komplexität der Technologie erfordert jedoch eine äußerste Zuverlässigkeit der Geräte, da sie nach dem Start nicht einfach vor Ort repariert werden können.
Das LISA-Projekt soll Gravitationswellen bei Wellenlängen zwischen 300,000 Kilometern und 3 Milliarden Kilometern erfassen, ein Bereich, der die Lücke zwischen den Erfassungsfähigkeiten des bodengestützten Laser Interferometrischen Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) und dem schließt Pulsar-Timing-Array. Es kann Gravitationswellen bei längeren Wellenlängen im Vergleich zu LIGO und bei relativ kürzeren Wellenlängen im Vergleich zum Pulsar Timing Array erfassen. Derzeit führt das Pulsar Timing Array Forschungen durch, um Gravitationswellen in der gesamten Galaxie zu beobachten und zu untersuchen, indem es einige Sterne als „Leuchtfeuer“ nutzt, die periodische Signale aussenden, die Wissenschaftlern dabei helfen, längere Wellenlängen von Gravitationswellen zu erkennen.
Perspektiven für LISA und die globale Zusammenarbeit zur Gravitationswellenerkennung
Karsten Danzmann weist darauf hin, dass verschiedene Experimente ihre eigenen, einzigartigen Phänomene beobachten und ergänzende Daten liefern, genau wie Radioteleskope und Geräte für sichtbares Licht. Dank seiner schieren Größe wird LISA in der Lage sein, Gravitationswellen von Verschmelzungen supermassereicher Schwarzer Löcher sowie Signale zu erkennen, die zu einem früheren Zeitpunkt in der von LIGO erfassten Kollisionsphase ausgesendet wurden. Es wird erwartet, dass LISA auch nie zuvor gesehene kosmische Ereignisse aufdecken wird. wie Kollisionen von Weißen Zwergen über die Größe von Schwarzen Löchern hinaus und Verschmelzungen binärer Schwarzer Löcher mit ungleicher Masse.
Astronomen gehen davon aus, dass das Experiment das von der Theorie vorhergesagte Gravitationswellen-Hintergrundrauschen im frühen Universum erkennen und möglicherweise Signale erfassen wird, die von den frühesten Schwarzen Löchern ausgesendet werden, sagte Valeriya Korol. LISA soll Wissenschaftlern dabei helfen, die Geschwindigkeit genauer zu verstehen Die Ausdehnung des Universums hat sich durch die Messung der Entfernungen zu den Quellen der erkannten Gravitationswellen verändert.
China plant außerdem, in den 2030er Jahren eigene Weltraumgravitationswellendetektoren auf den Markt zu bringen, die als „Taiji-Programm“ zur Weltraumgravitationswellenerkennung und „Tianqin-Programm“ bezeichnet werden. Chinas Programm zur Erkennung von Gravitationswellen im Weltraum wurde durch die Entwicklung des LISA-Projekts unterstützt, was die Möglichkeit seiner Umsetzung erhöht. Das Programm des „Tianqin-Programms“ ist als chinesisches Programm bekannt und zielt im Gegensatz zum europäischen LISA-Programm darauf ab, um 2035 ein weltraumgestütztes Gravitationswellen-Observatorium zu bauen, indem drei vollsynchrone Satelliten in geozentrischen Umlaufbahnen in einer Höhe von 500 m eingesetzt werden etwa 100,000 Kilometer und bildet eine gleichseitige dreieckige Konstellation mit einer Seitenlänge von etwa 170,000 Kilometern „Tianqin“, um die Weltraumdetektion von Gravitationswellen durchzuführen. Der „Taiji-Plan“ ist im Grunde derselbe wie der europäische LISA-Plan, in der heliozentrischen Umlaufbahn etwa 50 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, drei völlig ähnliche Satelliten zu starten, die Drei-Sterne-Formationsumlaufbahn mit der Sonne als Zentrum, das Design der störenden Armlänge, also dem Satellitenabstand von 3 Millionen Kilometern. Tianqin, LISA, Taiji drei Pläne, ersteres ist ein geozentrisches Umlaufbahnprogramm, die beiden letzteren sind heliozentrische Umlaufbahnprogramme, die dieselbe Kerntechnologie benötigen und auch ihre eigenen unterschiedlichen technischen Schwierigkeiten haben, aber die Erkennung von Gravitationswellen im Weltraum ist komplementär. Die Genehmigung des LISA-Programms durch die ESA markiert einen wichtigen Meilenstein in der wissenschaftlichen Gemeinschaft.
