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GRAVITATIONSWELLEN
Empfehlung aus Amerika für LISA-Mission
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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17. August 2010

Das amerikanische National Research Council (NRC) hat die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) nachdrücklich als eine der zwei nächsten wichtigen Weltraum-Missionen der NASA empfohlen. Die Mission soll gemeinsam mit der Europäischen Weltraumbehörde ESA im Jahr 2016 begonnen werden. LISA soll Gravitationswellen messen und damit das Universum auf eine neue Art und Weise beobachten, wie es mit keiner anderen Technologie möglich ist.

LISA

LISA besteht aus drei Sonden, die nach Gravitationswellen fahnden sollen. Bild: NASA

In der jetzt abgeschlossenen Zehn-Jahres-Studie "ASTRO2010" bewertete eine Expertenkommission sämtliche für die nächsten zehn Jahre vorgesehenen Forschungsaktivitäten in der Astronomie und Astrophysik sowie deren Bedeutung als Schnittstelle mit der Physik. Für LISA (Laser Interferometer Space Antenna) spricht die Studie eine nachdrückliche Empfehlung aus. Insbesondere geht die Expertenkommission davon aus, dass man mit der Beobachtung von Gravitationswellen im Weltraum Schlüsselfragen zur Astrophysik in der Frühzeit und der Physik des gesamten Universums beantworten können wird.

"Wir freuen uns sehr, das der NRC LISAs revolutionäre Forschungsmöglichkeiten in der Astrophysik und fundamentalen Physik bestätigt hat", so Tom Prince, Physikprofessor am California Institute of Technology (CalTech), leitender Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA und Vorsitzender des LISA International Science Teams von amerikanischer Seite. An LISA arbeiten Wissenschaftler aus Europa und den USA eng zusammen - als Mitglieder des LISA Science Teams (LIST) oder der LISA International Science Community (LISC). "Wir sind sehr zuversichtlich, mit der Beobachtung von tausenden von Gravitationswellen-Quellen schon bald ein neues Fenster ins Universum öffnen zu können," so Prince weiter.

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"Diese Empfehlung und unser ausgezeichneter Ruf in der wissenschaftlichen Gemeinschaft spornen uns weiter an," kommentiert Karsten Danzmann die Ergebnisse des Reports. Karsten Danzmann ist der europäische Vorsitzende des LISA International Science Team, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Leiter des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. "Mit LISA werden wir das Universum auf eine komplett neue Art und Weise beobachten können. Wir gehen davon aus, dass die Gravitationswellenastronomie ein immenses Potential hat, unser Wissen über die Physik und Astronomie des Universums auf eine noch unvorstellbare Art zu erweitern," so Danzmann weiter.

"In der Vergangenheit war es oft schwierig, 'klassische' Astronomen von der Bedeutung der Gravitationswellenastronomie zu überzeugen," so Marcie Rieke, Professorin für Astronomie an der University of Arizona und stellvertretende Vorsitzende der Astro2010 Program-Subkomittees. "Die gute Wertung für LISA zeigt, dass Astronomen nun erkennen, welche Chancen die neuartige Beobachtung des Universums mittels Gravitationswellen bietet." Und LISA Science Team-Mitglied Scott Hughes, Physikprofessor am Massachussets Institute of Technology (MIT) ergänzt: "Die wissenschaftlichen Argumente für LISA sind in den letzten 10 Jahren immer stärker geworden. Das gleiche gilt für die experimentelle Seite. Die damals ungewöhnlichen Messkonzepte sind heute zuverlässige und bewährte Technologien." 

"In den 13 Jahren, die ich nun an LISA mitarbeite, haben sich sowohl die Technologien als auch die wissenschaftlichen Grundlagen der Mission weit über meine kühnsten Träume hinaus entwickelt," so Sterl Phinney, Professor für theoretische Astrophysik am CalTech, gegenwärtiger Ko-Vorsitzender der Arbeitsgruppe für Quellen und Datenanalyse im LISA Science Team und Kopf des ursprünglichen LISA-Missionsdefinition-Teams. "Ich freue mich jetzt schon auf die exakten Messungen von denen wir erfahren werden, ob die riesigen Schwarzen Löcher in galaktischen Zentren wirklich den Regeln der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie folgen und ob, falls überhaupt, irgendwelche der Ideen zu ihrer Entstehung stimmen."

"Diese starke Unterstützung von Amerikas führenden Astronomen macht es offiziell: LISA hat das Potential, eines der wichtigsten astronomischen Observatorien unserer Zeit zu werden," ist auch Bernard F. Schutz, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) und Ko-Vorsitzender der Arbeitsgruppe für Quellen und Datenanalyse im LISA Science Team überzeugt.

"Als LISA 1995 von der ESA angenommen wurde, geschah dies vor allem, weil man von der Gravitationswellenastronomie wichtige Einblicke in die Grundlagen der Gravitation, Einsteins Relativitätstheorie und alle ihre Vorhersagen erwartete," so Schutz weiter. "In den letzten 15 Jahren haben Astronomen außerdem erkannt, dass LISA dazu beitragen wird, die noch über der Frühzeit des Universums liegenden Schleier zu lüften. Denn LISA wird Gravitationswellen der allerersten Sterne, der frühesten Schwarzen Löcher und einiger der ältesten heute noch existierenden Sterne lauschen. Mit LISA kann man sogar die mysteriöse Dunkle Energie erforschen, denn wir werden beobachten können, wie sich die Gravitationswellen früher Schwarzer Löcher ausdehnen und sich durch das expandierende Universum auf uns zu bewegen!"

LISA wurde entwickelt, um die erdgebundenen Gravitationswellen-Observatorien (das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory LIGO in den USA, das italienisch-französische Virgo-Projekt und das deutsch-britische GEO600 Observatorium in Ruthe bei Hannover) zu ergänzen, die schon heute aktiv nach Gravitationswellen suchen. Gravitationswellen sind Kräuselungen in der Struktur der Raum-Zeit, die durch die kraftvollsten kosmischen Ereignisse verursacht werden. Sie entstehen beispielsweise, wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen und tragen Informationen über ihre Entstehung der Schwarzen Löcher sowie die Natur der Schwerkraft mit sich. Konventionellen astronomischen Beobachtungsmethoden sind diese Informationen nicht zugänglich. Die Existenz der Gravitationswellen wurde von Albert Einstein in seiner 1916 veröffentlichten Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt.

Das Weltraum-Observatorium LISA wird aus einer Dreiecks-Formation von drei Satelliten bestehen, die durch fünf Millionen km (die 12,5-fache Erde-Mond-Entfernung) lange "Laserarme" miteinander verbunden sind und im Erdorbit die Sonne umkreisen. Gravitationswellen aus Quellen im gesamten Universum verursachen leichte Schwingungen in der Raum-Zeit, die wiederum kleinste Änderungen in LISAs Armlängen verursachen. Diese Längenänderungen betragen nur etwa 10 Picometer und sind damit kleiner als der Durchmesser des kleinsten Atoms. LISAs Laser werden diese Bewegungen einfangen und damit Gravitationswellen messen, indem sie jede Lageänderung der frei im Inneren der Satelliten schwebenden Gold- Platin-Testmassen ermitteln.

LISA wird Gravitationswellen in einem niedrigeren Frequenzbereich (0.1 milliHertz bis 1 Hertz) als die erdgebundenen Detektoren messen, die in Frequenzen über 10 Hz arbeiten. Weil Gravitationswellen sich bewegende Kräuselungen in der Krümmung des Raumes sind und LISA diese Kräuselung zeitgleich von zehntausenden Quellen aus allen Richtungen beobachten wird, kann man das Instrument gut mit einem Mikrofon vergleichen. Es "hört" den Schall während Teleskope oder Kameras Bilder aufzeichnen. Mit dieser neue Methode können die Bewegungen unsichtbarer Massen direkt beobachtet werden – eine wichtige Ergänzung traditioneller astronomischer Methoden, die nur sichtbare Atome darstellen kann. In den USA wird das LISA-Projekt vom NASA Goddard Space Flight Center geleitet. Das vom CalTech für die NASA geführte JPL ist in erheblichem Umfang an der Mission beteiligt.

Mit der LISA Pathfinder-Mission unter Federführung der ESA wird die LISA-Hardware schon 2013 einem ersten Weltraumtest unterzogen. Im Zuge der LISA Pathfinder-Mission werden die LISA-Schlüsseltechnologien gründlich getestet – beispielsweise die sogenannte "drag-free operation", in der die Satelliten die Testmassen vor allen äußeren Einflüssen schützen. Dabei messen sie die Bewegungen der Testmassen exakt ein und manövrieren unentwegt um sie herum, um so den freien Fall der Gold-Platin-Würfel aufrechtzuerhalten.

"LISA Pathfinder ist auf einem guten Weg, die meiste Flug-Hardware ist schon ausgeliefert. Bis zum Ende 2013 wird LISA Pathfinder demonstrieren, dass die für den LISA-Einsatz notwendige hochpräzise Messtechnik den Anforderungen genügt und raumtauglich ist," sagt Stefano Vitale, Professor der Physik am der Universität von Trento und leitender Wissenschaftler der Pathfinder-Mission.

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