Ein Pfadfinder für Gravitationswellen

Max-Planck-Forscher federführend an der Weltraum-Mission LISA Pathfinder beteiligt

Heute ist vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou eine Rakete vom Typ Vega abgehoben. Sie hat einen „Pfadfinder“ ins All gebracht: Der LISA Pathfinder wird neuartige Techniken für das geplante Gravitationswellen-Observatorium eLISA testen, das eines Tages den Sound des Universums einfangen wird. Im Projekt Pathfinder stecken mehr als zehn Jahre wissenschaftlicher Entwicklungsarbeit, an denen auch das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover maßgeblich beteiligt war.

Liftoff: Am 3. Dezember brachte eine Rakete vom Typ Vega den Satelliten LISA Pathfinder sicher ins All.

 

Nach dem Start wird LISA Pathfinder (LPF) eine Parkbahn nahe der Erde einnehmen und sich rund zwei Stunden später von der Oberstufe der Rakete trennen. Von 6. Dezember an beginnt dann eine Reihe von sechs Bahnkorrekturmanövern, die den erdfernsten Punkt der elliptischen Umlaufbahn innerhalb von fünf Tagen immer weiter anheben.

Schließlich wird LPF den Erdorbit vollständig verlassen und auf einer Transferbahn in Richtung des sogenannten Lagrangepunkts L1 driften – rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde in Richtung Sonne entfernt. Nach rund 40 Tagen Reisezeit wird der Satellit dort ankommen, auf eine Bahn um den Lagrangepunkt einschwenken und sich zuvor, am 22. Januar 2016, von seinem Antriebsmodul trennen.

Der Lagrangepunkt wurde gewählt, weil er eine Besonderheit aufweist: In ihm heben sich die Anziehungskräfte von Sonne und Erde auf. So bietet dieser Bereich des Weltraums die ideale Umgebung für die Hauptaufgabe von LISA Pathfinder: zwei Testmassen im perfekten freien Fall zu platzieren und dabei ihre Positionen mit nie zuvor erreichter Präzision zu vermessen und zu kontrollieren.

Dieses wissenschaftliche Kunststück wird nur mit ausgeklügelten, technisch überaus anspruchsvollen Methoden funktionieren: mit Trägheitssensoren, einem hochgenauen Laser, einem berührungsfreien Kontrollsystem und einem extrem präzisen Antrieb. All diese Techniken sind für das im Weltraum geplante Gravitationswellen-Observatorium eLISA unentbehrlich.

Zwei würfelförmige Testmassen

Gut verpackt: Das Wissenschaftsmodul von LISA Pathfinder und das Antriebsmodul mit thermischer Isolierung vor dem Akustiktest in der Montagehalle.

In jedem der beiden separaten Vakuumtanks der wissenschaftlichen Nutzlast von LPF soll während des Missionsbetriebs jeweils eine zwei Kilogramm schwere, würfelförmige Testmasse frei von allen inneren und äußeren Störkräften schweben und so die präzise Vermessung und Kontrolle einer kräftefreien Bewegung im Raum demonstrieren. Eine spezielle Gold-Platin-Legierung sorgt dafür, dass auf die Massen keine elektromagnetischen Kräfte wirken. Kosmische Strahlung und elektrische Streufelder der Testmassengehäuse führen jedoch zu elektrostatischen Aufladungen, die sich aber berührungslos mittels UV-Bestrahlung wieder abbauen lassen.

Eine besondere Herausforderung stellt dabei der „Caging-and-Venting-Mechanismus“ dar, der die Testmassen während der heftigen Vibrationen beim Start von LISA Pathfinder auf einer Vega-Rakete sichert, sie kontrolliert freigibt und sie gegebenenfalls auch wieder einfängt.

Mittels Laserinterferometrie werden die Positionen und die Ausrichtung der beiden Testmassen relativ zum Satelliten und zueinander mit bisher unerreichter Genauigkeit von etwa zehn Pikometern (hundertmillionstel Millimeter) bestimmt. „Dieses optische Präzisionsmesssystem wurde unter Federführung und mit maßgeblicher Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik  in Hannover entwickelt und gebaut“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Institut und Co-Principal Investigator für das LISA Pathfinder Technology Package, das wissenschaftliche Herzstück des Satelliten.

Darüber hinaus erfassen sogenannte Inertialsensoren die Positionen mit geringerer Genauigkeit. Die Messdaten werden dazu verwendet, mithilfe eines „Drag-Free Attitude Control System“ die Sonde so zu steuern, dass sie stets auf eine der Testmassen zentriert bleibt.

Die eigentliche Lageregelung des Satelliten erfolgt dabei durch Kaltgas-Mikronewton-Triebwerke. Diese ermöglichen eine extrem feine und gleichmäßige Regelung des Antriebschubs. Die Schubkräfte liegen im Bereich von Mikronewton – das entspricht der Gewichtskraft eines Sandkorns auf der Erde. Diese extrem feinfühlige Steuerung ist notwendig, um äußere nicht-gravitative Störeinflüsse wie den Strahlungsdruck des Sonnenlichts oder den des veränderlichen Sonnenwinds zu kompensieren und die Position des Satelliten um die frei fallenden Testmassen zu halten.

Datenauswertung in Hannover

Auf Kollisionskurs: Diese Simulation zeigt zwei schwarze Löcher, die umeinander spiralen und bald verschmelzen werden. Dabei entstehen Gravitationswellen (hier als farbige Strukturen dargestellt), welche empfindliche Observatorien auf der Erde und im Weltraum messen sollten.

Die wissenschaftliche Hauptmission von LISA Pathfinder beginnt am 1. März 2016 und wird mindestens sechs Monate dauern. Während dieser Zeit wollen die Wissenschaftler viele einzelne, aufeinander aufbauende Experimente ausführen. Diese sollen den nahezu perfekten freien Fall vermessen, indem sie die nicht von der Schwerkraft stammenden Störbeschleunigungen bestimmen, wesentliche Störquellen identifizieren und falls erforderlich weiter minimieren.

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik ist führend an der Entwicklung der Auswertungssoftware beteiligt, die eine zentrale Rolle beim Extrahieren wichtiger Informationen aus den Messdaten spielt. Dafür betreibt das Institut einen Kontrollraum in Hannover. Da eine unmittelbare Auswertung der Daten für die Konfiguration der Folgeuntersuchungen entscheidend ist, besetzen Forscher des Instituts außerdem rund um die Uhr Schichten im Darmstädter Kontrollzentrum der europäischen Weltraumagentur ESA.

LISA Pathfinder ist Wegbereiter für eLISA, ein großes Weltraumobservatorium, das eines der am schwersten fassbaren astronomischen Phänomene direkt beobachten soll – Gravitationswellen. Der Nachweis dieser von Albert Einstein im Jahr 1916 vorhergesagten winzigen Verzerrungen der Raumzeit erfordert eine sehr empfindliche und hochpräzise Messtechnik.

Weltraumobservatorien wie eLISA werden Gravitationswellen mit Frequenzen im Millihertz-Bereich nachweisen, wie sie Paare extrem massereicher schwarzer Löcher oder Doppelsternsysteme aus weißen Zwergen aussenden. So ergänzen sie irdische Detektoren – GEO600, aLIGO und Virgo –, die bei höheren Frequenzen Gravitationswellen von weniger massereichen Objekten aufspüren sollen.

Im Zusammenspiel mit anderen astronomischen Methoden werden die Gravitationswellen-Observatorien bisher noch unbekannte kosmische Regionen beobachten, gleichsam die dunkle Seite des Universums. Mit eLISA wollen die Forscher in 20 Jahren verfolgen, wie massereiche schwarze Löcher entstehen, wachsen und miteinander verschmelzen. Und auch die Entwicklung von Galaxien während der gesamten Vergangenheit des Weltalls wird sich erfassen lassen. Außerdem soll eLISA Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überprüfen und nach bisher unbekannter Physik suchen.


HOR / KNI

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