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Hochpräziser Prüfstand im Labor
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
astronews.com
4. März 2019
Damit eine Weltraummission wie vorgesehen funktioniert,
müssen die verwendeten Technologien zuvor gründlich getestet werden. Nun ist es
einem Team vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
gelungen, eine neuartige, besonders genaue Testumgebung zu entwickeln, um im
Labor Technik für LISA, das geplante Gravitationswellen-Observatorium im All, zu
überprüfen.
Die geplante LISA-Mission wird
Gravitationswellen im Weltall messen. Sie besteht
aus drei Satelliten im Abstand von Millionen von
Kilometern. Mittels Laserlicht werden die
Forscher die winzigen Abstandsänderungen messen,
die vorbeirasende Gravitationswellen erzeugen.
Bild: AEI/MM/exozet; GW-Simulation: NASA/C.
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Zum ersten Mal ist es gelungen, Lasermesstechnik für LISA in irdischen
Laboren nahezu unter Missionsbedingungen zu prüfen. Der Durchbruch gelang einem
Team von Forscherinnen und Forschern unter Leitung des Max-Planck-Instituts für
Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und des Instituts für
Gravitationsphysik an der Leibniz Universität Hannover mit einem neuartigen
Experiment. Die Entwicklungsarbeiten knüpfen nahtlos an die
LISA-Pathfinder-Mission an, die 2015 bis 2017 LISA-Technologien im All erprobte.
LISA ist ein geplantes Observatorium im All, das Gravitationswellen
nachweisen soll, die erdgebundene Detektoren nicht empfangen können. Ein
internationales Konsortium entwickelt LISA derzeit als Mission der europäischen
Raumfahrtagentur ESA. Das AEI-Team zeigt mit ihrem Experiment die
Funktionsfähigkeit des LISA-Phasenmeters, das die zentrale Messeinheit des
Observatoriums sein wird. Der Aufbau lässt sich außerdem leicht für weitere
Tests erweitern und kann so andere Schritte der LISA-Messungen überprüfen und
die Entwicklung der Datenverarbeitung für die Mission unterstützen.
"Das geplante Weltraumobservatorium LISA muss zur Messung von
Gravitationswellen strenge Anforderungen an die Genauigkeit aller Komponenten
erfüllen", erklärt Dr. Thomas Schwarze. "In einem irdischen Labor Bedingungen zu
schaffen unter denen sich die enorme Präzision für LISA verifizieren lässt,
bedarf großer Sorgfalt. Unser Aufbau schafft nun genau das: Wir können erstmals
einen wichtigen Teil der LISA-Technologie unter nahezu realistischen
Missionsbedingungen in unseren Laboren testen und zeigen, dass diese wie
gewünscht funktioniert."
LISA soll 2034 als Mission der europäischen Weltraumagentur (ESA) ins All
starten. Die Mission 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. Um solche winzigen Veränderungen
nachzuweisen, überwachen und vermessen Instrumente (Phasenmeter) in den
LISA-Satelliten das zwischen ihnen ausgetauschte Laserlicht.
Sie müssen diese Messung mit höchster Präzision – wie ein extrem genaues
Mikrofon mit geringem Eigenrauschen und niedriger Verzerrung – über einen großen
Messbereich von 8 bis 10 Zehnerpotenzen ausführen. In einer jetzt
veröffentlichten Studie wird ein neuer Aufbau beschrieben, der erstmals mittels
Laserlicht unter nahezu realistischen Bedingungen die LISA-Messung im irdischen
Labor simuliert und die Genauigkeit des Phasenmeters überprüft.
Der Aufbau besteht aus einer optischen Bank, die aufgrund ihrer besonderen
Konstruktion höchst präzise und stabil ist und die so alle unerwünschten
Störquellen zehnmal besser als vorherige Experimente eliminiert. So lässt sich
die für LISA erforderliche Genauigkeit im Bereich von Billionstel Metern
erreichen. Auf der optischen Bank werden drei kontrolliert hergestellte
Laserstrahlen paarweise überlagert, um so sechs neue Laserstrahlen mit wiederum
genau definierten Eigenschaften zu erhalten. Durch geschickte Überlagerung von
jeweils drei dieser gemischten Strahlen und Messung ihrer Eigenschaften mit dem
Phasenmeter lässt sich dessen Funktion präzise überprüfen.
Das mit dem Aufbau getestete Phasenmeter erfüllt fast im gesamten Messbereich
von LISA die Missionsanforderungen. Dieser erfolgreiche Test ist der erste unter
nahezu realistischen Bedingungen. Er zeigt, dass sich mit dem neuen Aufbau mit
kleinen Veränderungen weitere zentrale Komponenten der LISA-Mission unter noch
praxisnäheren Bedingungen überprüfen lassen werden. "Es ist entscheidend, alle
Details der LISA-Mission genau zu verstehen und vorab im Labor zu testen",
erklärt Apl. Prof. Gerhard Heinzel, Leiter der Arbeitsgruppe für
Weltrauminterferometrie am AEI Hannover. "Nur so können wir sicher sein, dass
die aufwändige Mission wie geplant funktioniert. Sind die Satelliten einmal in
ihren Umlaufbahnen um die Sonne, können wir an der Hardware nichts mehr
verändern."
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 und dem Echo des Urknalls.
Die Mission LISA Pathfinder hat zwischen Dezember 2015 und Juli 2017
andere LISA-Komponenten im All getestet und gezeigt, dass diese die
LISA-Anforderungen im gesamten LISA-Messband übertreffen. Derzeit führt die ESA
mit dem internationalen LISA-Konsortium die Phase-A-Systemstudie durch. Dabei
soll zur Vorbereitung der Missionsdurchführung ein vorläufiges Design der
Weltraumkomponenten erarbeitet werden.
Ihren Versuchsaufbau beschreibt das Team in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.
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