Forschungsbericht 2016 - Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover

LISA Pathfinder ebnet den Weg zu Gravitationswellenmessungen im All

Autoren
Reiche, Jens; Hewitson, Martin; Grothues, Hans-Georg; Knispel, Benjamin; Danzmann, Karsten
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover, Hannover
Zusammenfassung
Die Satellitenmission LISA Pathfinder demonstriert Schlüsseltechnologien für zukünftige Gravitationswellen-Observatorien im All wie eLISA. Diese werden niederfrequente Gravitationswellen beispielsweise von Paaren extrem massereicher schwarzer Löcher oder galaktischen Doppelsternsystemen untersuchen. LISA Pathfinder ist am 3. Dezember 2015 ins All gestartet und hat im März 2016 seine wissenschaftliche Messkampagne begonnen. LISA Pathfinder wird zu einem Modell aller Rauschquellen für eLISA-artige Missionen führen.

Albert Einstein sagte Gravitationswellen bereits im Jahr 1916 auf der Grundlage seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorher. Er schätzte die extrem geringen Auswirkungen von durchlaufenden Gravitationswellen quantitativ ab: Sie äußern sich in periodischen Änderungen von Abständen im Raumzeitkontinuum der Allgemeinen Relativitätstheorie. Charakteristische relative Längenänderungen liegen dabei zwischen etwa 10-18 und 10-24 abhängig von Art und Entfernung der Quelle. Aufgrund dieser winzigen Wirkung zweifelte Einstein daran, dass Gravitationswellen jemals direkt messbar wären. Am 14. September 2015 gelang mit den erdgebundenen advanced LIGO-Detektoren der Nachweis der ersten Gravitationswellen. Sie stammten von der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher in mehr als einer Milliarde Lichtjahre Entfernung.

Das Spektrum der Gravitationswellen

Quellen von Gravitationswellen sind beschleunigte große Massen. Dazu zählen Doppelsternsysteme, Supernovae, das Verschmelzen von kompakten Objekten wie Neutronensternen und schwarzen Löchern, und ineinander stürzende extrem massereiche schwarze Löcher in den Zentren ferner Galaxien.

Im Wesentlichen abhängig von den beteiligten Massen strahlen diese Quellen Gravitationswellen ab, deren Frequenzen sich über rund 22 Größenordnungen, von rund 10-18 Hz bis zu etwa 104 Hz erstrecken. Um möglichst große Teile dieses Spektrums und die Quellen zu untersuchen, sind sowohl erdgebundene Detektoren für die kurzwelligen Anteile des Spektrums als auch weltraumgestützte Observatorien für die langwelligen Anteile notwendig.

eLISA: Gravitationswellenmessung im Weltraum

Die Messstrecken erdgebundener interferometrischer Detektoren wie GEO600, LIGO und Virgo sind auf wenige Kilometer Länge begrenzt – und damit auch die Empfindlichkeit für die von Gravitationswellen verursachten Änderungen dieser Längen.

Abb. 1: Die eLISA-Mission wird aus drei Satelliten im Abstand von mehreren Millionen Kilometern bestehen, die hinter der Erde um die Sonne laufen. Präzise laserinterferometrische Abstandsmessungen werden die Messung niederfrequenter Gravitationswellen ermöglichen.

Im Weltraum gilt diese Beschränkung nicht: Das geplante Gravitationswellenobservatorium evolving Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) soll aus drei Satelliten bestehen, die die Endpunkte eines nahezu gleichseitigen, dreiecksförmigen Laserinterferometers mit mehreren Millionen Kilometer langen Armen bilden (Abb. 1). Durch die Längenänderungen der Arme sollen Gravitationswellen nachgewiesen werden. Doch immer noch beträgt die erforderliche Messgenauigkeit rund 0,001 nm, ein Hunderstel eines Atomdurchmessers. Dies lässt die messtechnischen Herausforderungen – insbesondere an die Kontrolle von Störeinflüssen – erahnen, die sich einem Nachweis auch der stärksten Gravitationswellen in den Weg stellen.

Ein weiterer Vorteil der Messung im All ist das Fehlen jeglicher Seismik, die bei Frequenzen unterhalb von etwa einem Hertz den erdgebundenen Gravitationswellenbeobachtungen eine unüberwindbare Grenze setzt. Die mit Weltraumexperimenten wie eLISA messtechnisch abzudeckenden Frequenzen erstrecken sich von einigen 10-5 Hz bis hin zu etwa 0,1 Hz im Gravitationswellenspektrum. Niederfrequente Gravitationswellen und ihre massereichen Quellen lassen sich nur mithilfe von Messungen im Weltall untersuchen.

Observatorien wie eLISA werden Objekte wie einander eng umlaufende und schließlich ineinander stürzende, extrem massereiche schwarze Löcher mit Millionen von Sonnenmassen in den Zentren verschmelzender Galaxien beobachten. Darüber hinaus dürften die Gravitationswellensignale in diesem Frequenzbereich von tausenden von Doppelsternsystemen in unserer Milchstraße mit Bahnperioden von nur wenigen Minuten dominiert sein.

Technologiedemonstration mit LISA Pathfinder

LISA Pathfinder (LPF) soll nun nach mehr als zehn Jahren Entwicklungszeit den Weg für das Gravitationswellen-Observatorium eLISA ebenen. Da für eLISA eine Reihe neuer Technologien notwendig sind, sollen die kritischen Technologien zunächst im Rahmen der Erprobungsmission LPF entwickelt und unter Weltraumbedingungen getestet werden.

Abb. 2: Diese Illustration zeigt das Herzstück von LISA Pathfinder, die LISA Technology Package Core Assembly. Zentral befindet sich die optische Bank, die mittels Laserinterferometrie hochpräzise die Abstandsänderungen zwischen den beiden frei fallenden Testmassen (links und rechts) vermisst. Die Testmassen befinden sich in Vakuumbehältern und Elektrodengehäusen, die der Vermessung, Positionierung und Kontrolle der Testmassen dienen.

Hierzu wurde einer der eLISA-Interferometerarme von Millionen Kilometern auf rund 40 Zentimeter verkleinert, sodass zwei Testmassen mit gleichzeitiger Funktion als Endspiegel des Interferometerarms in einen Satellit passen. Beide Testmassen befinden sich zudem in Vakuumbehältern, um Störungen durch Restgase zu minimieren (Abb. 2). Die Anforderungen von eLISA an das Messsystem wurden darüber hinaus um den Faktor 10 verringert: Bei LISA Pathfinder wird die Störungsfreiheit durch die maximal erlaubte spektrale Dichte der Störbeschleunigung der Testmassen von 3·10-14 ms-2Hz-1/2 im Frequenzbereich zwischen 10-3 und 10-2 Hz definiert.

Das Hauptziel von LISA Pathfinder besteht darin, eine der Voraussetzungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu bestätigen, nämlich dass Körper, die allein der Schwerkraft unterliegen, in ihrer Bewegung sogenannten Geodäten folgen, d. h. den kürzesten Verbindungen im vierdimensionalen Raumzeitkontinuum. Zu diesem Zweck wird LISA Pathfinder vor allem ausführliche Tests dreier wichtiger Technologien durchführen, die auf der Erde nicht oder nur eingeschränkt vorgenommen werden können.

Kapazitiv arbeitende Inertialsensoren werden mithilfe einer extrem rauscharmen Elektronik Positionen und Ausrichtungen der frei schwebenden Testmassen, die die Spiegel an den Enden des Laserinterferometers repräsentieren, relativ zum Satelliten und untereinander erfassen. Die Testmassen bestehen aus einer speziellen Gold-Platin-Legierung (73% Au, 27% Pt) mit einer Kantenlänge von 46 mm, die jeweils rund 2 kg wiegen. Damit die Testmassen störungsfrei den Geodäten folgen können, mussten sie aufwendig von allen erdenklichen Störkräften abgeschirmt werden. Dazu zählen der Strahlungsdruck der Sonne, elektrische und magnetische Felder und Temperatureffekte. Darüber hinaus musste die Massenverteilung im Satelliten sehr genau ausgeglichen werden, um Schwerkraftgradienten zu minimieren.

Das Drag-Free Attitude Control System (DFACS) kompensiert in einer Rückkoppelungsschleife mit den Inertialsensoren weitgehend die auf den Satelliten und die Testmassen einwirkenden Störkräfte. Dazu zählen z. B. minimale elektrische Streufelder auf Metalloberflächen, statische Aufladungen im Satelliten (verursacht durch die kosmische Strahlung), Druckunterschiede (hervorgerufen durch winzige Temperaturgradienten im Restgas) um die Testmassen und der Strahlungsdruck des Lasers auf die Testmassen. Zur Kompensation kommen Mikro-Newton-Triebwerke zum Einsatz, deren geringer Schub sehr fein regelbar und darüber hinaus äußerst konstant ist. Dabei werden Kaltgas- und Kolloidtriebwerke verwendet. Interessant ist die Technologie auch für andere Missionen der Fundamentalphysik, wie z. B. die im Bau befindliche Weltraummission „Microscope”.

Schließlich soll LISA Pathfinder auch den erfolgreichen Weltraumeinsatz der hochempfindlichen Laserinterferometrie demonstrieren, die parallel zu den Inertialsensoren Lage und Ausrichtung der Testmassen mit höchster Präzision (rund 0,01 nm) vermisst.

Entwicklung von LISA Pathfinder

Abb. 3: Der LISA Pathfinder Satellit auf dem Antriebsmodul wird auf den Start vom Weltraumbahnhof Kourou vorbereitet.

Von der ESA im Oktober 2000 als SMART-2-Mission zur Technologiedemonstration für LISA ausgewählt, begannen 2001 erste Entwicklungen kritischer Technologien. Ab 2004 folgte dann die Entwicklung und die Implementierung der Gesamtmission LISA Pathfinder mit der Raumsonde und dem LISA Technology Package (LTP) sowie dem Disturbance Reduction System (DRS) als amerikanischem Beitrag, beide Nutzlast der Mission.

Der Start war zunächst für Mitte 2009 geplant. Bald stellte sich jedoch heraus, dass sich die Anforderungen an die mechanische, thermische und elektrische Störungsfreiheit (geringes Systemrauschen) sehr viel deutlicher als erwartet am Rande des technisch Machbaren bewegte. Es waren daher verschiedene unvorhergesehene, technische Herausforderungen zu bewältigen, die den Starttermin mit der neuen europäischen Trägerrakete Vega auf den 3. Dezember 2015 verschoben haben.

Das internationale LISA Pathfinder Team

LISA Pathfinder und seine Nutzlast, das LTP, wurden als Technologiemission unter Führung der Europäischen Raumfahrtagentur ESA mit maßgeblichen Zulieferungen verschiedener Institutionen aus Mitgliedsstaaten der ESA entwickelt.

Während die ESA – wie bei wissenschaftlichen Raumfahrtmissionen üblich – für den Satelliten, den Start und den Betrieb der Mission zuständig ist, bauen und finanzieren Institutionen und Unternehmen der interessierten ESA-Mitgliedsländer die Nutzlasten. Da bei LISA Pathfinder jedoch Nutzlast und Raumsonde äußerst eng miteinander verbunden sind und beide gewissermaßen ein einziges Messintrument darstellen, hat sich die ESA in diesem Fall auch maßgeblich an der Entwicklung des LTP beteiligt.

Die wissenschaftliche Leitung von LISA Pathfinder wird gemeinsam von der Universität Trento in Italien (Stefano Vitale) und dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover (Karsten Danzmann) wahrgenommen. Neben diesen beiden Instituten und den von ihnen beauftragten Raumfahrtunternehmen werden weitere wissenschaftliche Beiträge und Beistellungen von Hardware zum LTP von Forschungsinstituten und Universitäten aus Großbritannien, Spanien, der Schweiz, Frankreich und den Niederlanden geliefert. Der deutsche Beitrag besteht vor allem in der Durchführung von Systemaufgaben für die Entwicklung des LTP sowie der Bereitstellung der optischen Messsystems und des Lasersystems.

Der deutsche Beitrag wurde gefördert von der Raumfahrtagentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 50 OQ 0501.

Der Missionsverlauf von LISA Pathfinder

Am 3. Dezember 2015 um 1:04 Uhr Ortszeit (5:04 Uhr MEZ) ist LPF auf einer Vega-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof bei Kourou in Französisch-Guyana ins All gestartet – fast auf den Tag genau 100 Jahre nach der Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie (Abb. 4).

Abb. 4: Am 3. Dezember 2015 um 1:04 Uhr Ortszeit startete LISA Pathfinder auf einer Vega-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana.

Nach dem erfolgreichen Start und dem weiten Weg zum Messort, einer Halobahn um den Lagrangepunkt 1 rund 1,5·106 km von der Erde in Richtung Sonne, wurden in der zweiten Januarwoche 2016 die einzelnen Nutzlastsysteme erfolgreich nacheinander eingeschaltet und auf ihre Einsatzbereitschaft hin überprüft. Im Anschluss daran – am 22. Januar 2016 – wurde LISA Pathfinder vom Antriebsmodul gelöst und trat danach in die Halobahn ein.

Ein besonders wichtiger Schritt Anfang Februar war das Freilassen der beiden Testmassen, die beim Start durch einen aufwendigen Haltemechanismus gesichert wurden. Die Prozedur des gezielten Loslassens, Fangens und Kontrollierens durch elektrostatische Kräfte verlief erfolgreich. Danach schwebten die Würfel frei im Abstand von einigen Millimetern von den Wänden der Einhausung ohne mechanischen Kontakt zum Satelliten.

Danach erbrachte die herstellende Industrie den Nachweis, dass alle Systeme wie geplant funktionieren und dass die kritischen Technologien für eLISA erfolgreich produziert, unter Weltraumbedingungen getestet wurden und sie die Anforderungen voll erfüllen. Anfang März nahm der Satellit dann wie geplant den wissenschaftlichen Messbetrieb auf. Bis Ende September 2016 werden die Missionswissenschaftler hunderte Experimente in enger zeitlicher Abfolge durchführen.

Nach bisheriger Planung soll die Mission LPF Ende 2016 abgeschlossen sein. Die Ergebnisse werden direkt in die Entwicklung von eLISA einfließen, deren Entwicklung ab diesem Jahr konkret angegangen werden soll.

Literaturhinweise

1.
Karsten Danzmann for the LISA Pathfinder Team and the eLISA Consortium
LISA and its pathfinder
Nature Physics 11, 613–615 (2015)
2.
Amaro-Seoane, P.; Aoudia, S.; Babak, S.; Binétruy, P.; Berti, E.; Bohé, A.; Caprini, C.; Colpi, M.; Cornish, N. J.; Danzmann, K.; Dufaux, J.-F.; Gair, J.; Jennrich, O.; Jetzer, P.; Klein, A.; Lang, R. N.; Lobo, A.; Littenberg, T.; McWilliams, S. T.; Nelemans, G.; Petiteau, A.; Porter, E. K.; Schutz, B. F.; Sesana, A.; Stebbins, R.; Sumner, T.; Vallisneri, M.; Vitale, S.; Volonteri, M.; Ward, H.
eLISA: Astrophysics and cosmology in the millihertz regime
http://arxiv.org/abs/1201.3621
3.
Grothues, H.-G.; Reiche, J.
LISA Pathfinder
Sterne und Weltraum 7, 34–42 (2014)
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