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LISA Pathfinder übertrifft Erwartungen Auf dem Weg zum Gravitationswellen-Observatorium im All

| Autor / Redakteur: Dr. Benjamin Knispel* und Helmut Hornung** / Dr. Ilka Ottleben

Nach der Aufsehen erregenden Entdeckung von Gravitationswellen im All im September vergangenen Jahres demonstriert die Europäische Satellitenmission nun erfolgreich Technologien für ein Gravitationswellen-Observatorium im All. Der Satellit LISA Pathfinder, dessen wissenschaftliche Phase am 1. März 2016 begann, übertrifft dabei alle Erwartungen der Wissenschaftler.

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Gelungener Test: Der Satellit LISA Pathfinder demonstriert Schlüsseltechnologie eines Gravitationswellen-Observatoriums im Weltraum. (Ausschnitt)
Gelungener Test: Der Satellit LISA Pathfinder demonstriert Schlüsseltechnologie eines Gravitationswellen-Observatoriums im Weltraum. (Ausschnitt)
(Bild: Bild: © ESA – C. Carreau )

Hannover – Nach einem Bilderbuchstart und einer Reise von rund 1,5 Millionen Kilometern von der Erde in Richtung Sonne begann die wissenschaftliche Phase von LISA Pathfinder am 1. März 2016. Mit den jetzt präsentierten Ergebnissen der ersten zwei Monate sind die Forscher mehr als zufrieden. „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 Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI).

Die Ergebnisse zeigen, dass die zwei Testmassen im Herzen des Satelliten frei im Weltall fallen und nur dem Einfluss der Schwerkraft unterliegen. Die Isolation von äußeren Störkräften ist fünffach besser als ursprünglich erwartet. Die Testmassen schweben relativ zueinander nahezu bewegungslos. Deren relative Beschleunigung entspricht der Gewichtskraft eines Virus auf der Erde. Diese erfolgreiche Demonstration der Schlüsseltechnologien bereitet den Weg zur Entwicklung großer Weltraum-Observatorien, die Gravitationswellen von vielen exotischen Objekten im Universum nachweisen können.

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Niederfrequente Gravitationswellen aufspüren

Die von Albert Einstein vor einem Jahrhundert vorausgesagten Gravitationswellen wurden im September 2015 erstmals von den Advanced LIGO-Detektoren auf der Erde nachgewiesen. Observatorien im Weltraum wie eLISA sollen diese und andere Detektoren ergänzen, indem sie niederfrequente Gravitationswellen messen, die sich am Boden nicht nachweisen lassen.

Die von LIGO empfangenen Signale haben Frequenzen im Bereich von zehn bis zu mehreren 1000 Hertz, doch Gravitationswellen umspannen ein viel breiteres Spektrum. Niederfrequente Gravitationswellen etwa entstehen insbesondere bei exotischen Ereignissen wie dem Verschmelzen von extrem massereichen schwarzen Löchern während Galaxienkollisionen.

Will man die bei diesen Ereignissen abgestrahlten Gravitationswellen im Frequenzbereich von 0,1 Millihertz bis zu einem Hertz detektieren, muss man winzige relative Längenänderungen zwischen Objekten im Abstand von Millionen von Kilometern nachweisen. Dies ist nur im Weltraum möglich, wo außerdem die Störeinflüsse auf irdische Detektoren wie Seismik, thermisches Rauschen und Schwerkraftgradienten nicht existieren.

1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt in Richtung Sonne

LISA Pathfinder war am 3. Dezember 2015 gestartet und erreichte seinen Standort rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt in Richtung Sonne Ende Januar 2016. Die wissenschaftliche Mission begann am 1. März. Das zentrale Experiment besteht darin, 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.

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