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LISA PATHFINDER
Noch besser als gedacht
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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12. Februar 2018

Mit der ESA-Mission LISA Pathfinder sollten Technologien getestet werden, ohne die LISA, das geplante Gravitationswellenobservatorium im All, nicht möglich wäre. Bereits die ersten Daten hatten darauf hingedeutet, dass die Mission die Erwartungen deutlich übertrifft. Nun wurden die finalen Auswertungen vorgestellt - und die Ergebnisse sind noch besser.

LISA Pathfinder

LISA Pathfinder hat die Schlüsselelemente eines Gravitationswellen-Observatoriums im Weltraum getestet. Bild: ESA–C.Carreau[Großansicht]

Das Team der Sonde LISA Pathfinder hat in der vergangenen Woche die endgültigen Ergebnisse  der Mission veröffentlicht. Die ersten Resultate von Mitte 2016 wurden dabei signifikant verbessert; zum Einsatz kamen neue Daten, die vor dem Ende der Mission gewonnen wurden. LISA Pathfinder hat nun die Anforderungen an Schlüsseltechnologien von LISA, dem zukünftigen Gravitationswellen-Observatorium im All, um mehr als einen Faktor zwei im gesamten Beobachtungsband übertroffen. LISA soll im Jahr 2034 als ESA-Mission ins All starten und wird mit der Messung niederfrequenter Gravitationswellen von verschmelzenden extrem massereichen Schwarzen Löchern aus dem gesamten Universum und zehntausenden Doppelsternen in unserer Galaxie "lauschen".

"LISA Pathfinder hat die Schlüsseltechnologien für LISA, das zukünftige Gravitationswellen-Observatorium im All, wundervoll gezeigt: der perfekte ungestörte freie Fall zweier würfelförmiger Testmassen im Herzen des Satelliten", sagt Prof. Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover, der außerdem Co-Principal Investigator des LISA Technology Package ist. "Die Ergebnisse der ersten Missionswochen haben uns schon total überwältigt, aber die Endergebnisse mit mehr und besseren Daten und einem tieferen Verständnis unseres Weltraumlabors LPF sind ein wirklich grandioser Anblick." Während die ersten LPF-Ergebnisse bereits die LISA-Anforderungen bei hohen Frequenzen (über 0,01 Hertz) übertrafen, zeigt die neue Veröffentlichung, dass die Anforderungen um mehr als einen Faktor zwei bis hinunter zu 0,00002 Hertz – im gesamten LISA-Messband – übertroffen werden.

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Eine Kombination von mehreren Effekten erlaubte den beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die ersten Ergebnisse zu verbessern, die verbleibenden Störquellen zu reduzieren und eine noch ruhigere Umgebung für die zwei würfelförmigen Gold-Platin-Testmassen zu erstellen: Nach mehreren Monaten des Belüftens der Testmassen-Vakuumkammern zum All fiel ihr Restgasdruck, der bisher die Messungen begrenzte, um einen Faktor 10.

Zudem führte die Verfügbarkeit von mehr Daten zu einem besseren Verständnis der kleinen Scheinkraft, die auf die Würfel wirkte und die von der Bahn des Satelliten und seiner Ausrichtung im All verursacht wurde. Eine verbesserte Steuerung in den künftigen LISA-Satelliten wird diesen Effekt weiter reduzieren. Eine genauere Berechnung der elektrostatischen Kräfte der elektrischen Systeme und magnetischen Felder an Bord des Satelliten eliminierte außerdem eine systematische Quelle von niederfrequentem Rauschen und die Datenanalyse erlaubte es, die Auswirkungen zusätzlicher sporadischer Ereignisse (sogenannter "glitches") zu entfernen, um das Hintergrundrauschen bei noch niedrigeren Frequenzen als erwartet zu vermessen.

Diese Demonstration von nahezu perfektem Freifall von zwei Testmassen über ein breites Frequenzband ist ein entscheidender Meilenstein für die LISA-Mission. Außerdem arbeitete das Laserinterferometer von LISA Pathfinder – das erste jemals im All – mehr als 100-mal besser als die Anforderungen und 30-mal besser als jemals zuvor in irdischen Labors. Es ermöglichte die detaillierte Untersuchung von winzigen unterschwelligen Rauschquellen und Artefakten und half so in Vorbereitung auf LISA weitere Erfahrung zu sammeln und Vertrauen zu gewinnen. Dieses optische Präzisionsmesssystem wurde unter Federführung und mit maßgeblicher Beteiligung von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik und von der Leibniz Universität in Hannover entwickelt und gebaut.

LISA soll 2034 als Mission der europäischen Weltraumagentur ESA ins All starten. Unterstützt wird die Mission von vielen ESA-Mitgliedsstaaten, der NASA und zahlreichen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in einer engen transatlantischen Zusammenarbeit. LISA wird aus drei Satelliten bestehen, die mit Lasern ein gleichseitiges Dreieck mit ca. 2,5 Millionen Kilometern Kantenlänge aufspannen. Durch diesen Formationsflug im All laufende Gravitationswellen verändern diese Abstände um ein Billionstel Meter.

LISA wird niederfrequente Gravitationswellen mit Schwingungsperioden von 10 Sekunden bis zu mehr als einem halben Tag messen, die mit Detektoren auf der Erde nicht beobachtet werden können. Solche Gravitationswellen stammen beispielsweise von extrem massereichen Schwarzen Löchern, millionenfach schwerer als unsere Sonne, die im Zentrum von Galaxien verschmelzen, den Bahnbewegungen zehntausender Doppelsternsysteme unserer Galaxie und möglicherweise von exotischen Quellen wie kosmischen Strings.

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Links im WWW
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
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