Das AEI ist federführend bei der Entwicklung von LISAs Schlüsselinstrumenten

Das AEI erhält vom DLR eine Zuwendung von 35 Millionen Euro für die Entwicklung von Kernkomponenten der Instrumente der Satellitenmission

Auf den Punkt gebracht:

• Vorbereitungen für LISA: LISA ist ein Weltraum-Observatorium für Gravitationswellen und eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) unter Beteiligung der NASA. Es soll in den 2030er Jahren ins All starten und vollkommen neue Informationen über das Universum sammeln. Derzeit werden die Satelliten und ihre hochpräzisen Messinstrumente entwickelt.
• Wissenschaftliche Expertise: Das AEI erhält vom DLR eine Zuwendung. Damit wird dem Institut die Federführung bei der Entwicklung von LISA-Schlüsselinstrumenten sowie die Untersuchung und Verifikation weiterer Komponenten bis 2030 übertragen. Die Zuwendung umfasst dafür eine Gesamtsumme von 35 Millionen Euro.
• Nächste Schritte für das Phasenmeter: Im Auftrag von und unter Leitung des AEI wird die OHB Systems AG die technischen Modelle, die Qualifikationsmodelle und die Flughardware von einer Komponente des Phasenmeters entwickeln und herstellen. Das Phasenmeter ist LISAs zentrales Messinstrument.

Wissenschaftliche Expertise am AEI

„Diese Zuwendung stärkt die über Jahrzehnte gewachsene wissenschaftliche Expertise des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in der Entwicklung, Untersuchung und Verifikation von Methoden und Instrumenten für die Gravitationswellen-Beobachtung im All“, sagt Jens Reiche, Programm-Manager für Weltraumprojekte am AEI.

Mit der aktuellen Zuwendung in Höhe von 35 Millionen Euro fördert die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die nächste Phase der Entwicklung von Instrumenten für LISAs optisches Messsystem am AEI. Eine Aufstockung für die weiteren Projektphasen ist bereits vorgesehen.

Die Förderung findet im Rahmen der sogenannten Implementierungsphase statt: Das AEI ist zunächst für die Entwicklung und Bereitstellung der technischen Modelle des als missionskritisch eingestuften Phasenmeters und dessen Signalverarbeitung innerhalb der optischen Messtechnik verantwortlich. Dazu gehören umfangreiche Tests inklusive aller relevanten Schnittstellen.

Nächste Schritte für das Phasenmeter

Das LISA-Phasenmeter ist das Herzstück dieses optischen Messsystems. Es wird die winzigen Veränderungen des Laserlichts messen, die Gravitationswellen in den Laserstrahlen hervorrufen, während diese Millionen Kilometer zwischen den drei LISA-Satelliten hin- und herlaufen. Das Phasenmeter ist also das Instrument, das die Gravitationswellen beobachten und damit eine neue Astronomie ermöglichen wird.

Das AEI ist für die Hardware und die Software des Phasenmeters und deren Verifikation verantwortlich. Zu diesem Zweck wird das Institut mathematische Modelle, Simulatoren und Experimente entwickeln und betreiben.

„In unserem Auftrag und unter unserer Leitung entwickelt und fertigt der Industriepartner OHB Systems AG die technischen Modelle, die Qualifikationsmodelle und die Flughardware einer der beiden Komponenten des Phasenmeters”, sagt Kanioar Karan, der Projektmanager für die Phasenmeter-Entwicklung am AEI.

Das Institut organisiert und unterstützt zudem die Verifikation des Messsystems von LISA und managt dessen Interaktion mit weiteren Komponenten der Satellitenhardware. Dafür entwickelt und betreibt das AEI technische Modelle der Instrumente und Simulatoren sowie verschiedene Experimentalaufbauten. Mithilfe dieser Aufbauten werden Wissenschaftler*innen am AEI die Funktion verschiedener Komponenten der Satellitenhardware testen und prüfen, ob diese die strikten Anforderungen an die Messgenauigkeit erfüllen. Diese Aufbauten in den Laboren des Instituts könnten darüber hinaus bei der Inbetriebnahme von LISA im Weltraum nach dem Start in den 2030er Jahren helfen.

LISA-Messungen vorbereiten

Zudem werden Forschende am AEI gemeinsam mit der ESA Methoden für den Messbetrieb von LISA weiterentwickeln. Damit sollen die LISA-Messdaten nach dem Start und der Inbetriebnahme in den 2030er Jahren analysiert und möglichst viele wissenschaftliche Erkenntnisse aus ihnen gewonnen werden. Dafür werden die Wissenschaftler*innen Modelle und Simulatoren von LISA-Instrumenten entwickeln und betreiben und neue Methoden für die Analyse der LISA-Daten entwickeln und verbessern.

„Über die Grundlagenforschung und deren Anwendung in der Astronomie mit LISA hinaus unterstützt das AEI zudem den Technologietransfer in die Industrie”, sagt Guido Müller „So sollen die Erkenntnisse und Erfahrungen aus unserer Forschung zu hochpräzisen, lasergestützten Messungen neuartige technische Anwendungen ermöglichen.“

Hintergrundinformationen

LISA

LISA wird das erste Gravitationswellen-Observatorium im All sein. Es wird aus drei Satelliten bestehen, die sich in einer dreieckigen Konfiguration – verbunden durch 2,5 Millionen Kilometer lange Arme aus Laserlicht – auf einer erdähnlichen Umlaufbahnen um die Sonne bewegen werden.

LISA wird Gravitationswellen von Quellen aus dem gesamten Universum, fast bis zurück zum Urknall beobachten können. Diese Gravitationswellen werden winzige Änderungen – kleiner als der Durchmesser eines Atoms – der Laserarme hervorrufen. LISA wird diese Längenänderungen messen, indem es mit Hilfe von Laserlicht die Bewegungen von Testmassen überwacht, die im Inneren der Satelliten frei fallen.

LISA-Forschung am AEI

Das Institut hat LISA-Forschungsgruppen an seinen Standorten Hannover und Potsdam. Es spielt eine führende Rolle bei der Entwicklung von Schlüsselkomponenten der Hardware, der Erforschung der Laser-Interferometrie für LISA und bei der Modellierung der Quellen, der Datenanalyse und der Nutzung der wissenschaftlichen Ergebnisse.

Gravitationswellen-Astronomie mit LISA

Gravitationswellen sind Kräuselungen der Raumzeit, die entstehen, wenn sich Massen beschleunigt bewegen. Derzeitige Detektoren auf der Erde messen Gravitationswellen, die von verschmelzenden Paaren aus Neutronensternen und Schwarzen Löchern mit bis zu einigen hundert Sonnenmassen stammen.

LISA wird Gravitationswellen im noch unerforschten Fenster zwischen 0,1 mHz und 1 Hz aufspüren, bei Frequenzen, die Detektoren auf der Erde nicht beobachten können. Wellen in diesem Frequenzbereich entstehen, wenn Schwarze Löcher mit der rund 10.000- bis 100-millionenfachen Masse der Sonne in den Zentren ferner junger Galaxien kollidieren und miteinander verschmelzen. LISA wird diese Prozesse in der gesamten Geschichte des Universums nachweisen und so den noch unbekannten Ursprung und das Wachstum extrem massereicher Schwarzer Löcher direkt untersuchen.

Einzigartig an LISA ist der Nachweis der Gravitationswellen, die von Schwarzen Löchern mit rund 100 bis 10.000 Sonnenmassen stammen, die um massereiche Schwarze Löcher in Galaxienkernen kreisen. Mit diesen Signalen lässt sich die Geometrie der Raumzeit untersuchen und das Wesen der Gravitation testen. LISA wird nicht nur eine große Anzahl von Doppel- und Mehrfachsystemen kompakter Objekte in unserer Milchstraße aufspüren, die uns Aufschluss über die Entwicklung von Doppelsternen geben, sondern auch die Galaxie jenseits des galaktischen Zentrums „sehen“. Dazu gehören viele Objekte, die für alle anderen astronomischen Instrumente unsichtbar sind.

Da LISA die Schwerkraft als Signalquelle nutzt, wird die Mission unser Wissen über den Beginn, die Entwicklung und die Struktur unseres Universums vervollständigen. Die Untersuchung von Gravitationswellen bietet darüber hinaus enormes Potenzial, bislang unzugängliche Teile des Universums zu entdecken; dazu zählen unter anderem das Echo des Urknalls, also Kräuselungen der Raumzeit, die durch Störungen des Plasmas kurz nach dem Urknall entstanden, und andere, noch unbekannte Phänomene. Gemeinsam mit anderen astronomischen Methoden und Gravitationswellen-Observatorien auf der Erde werden die LISA-Forschenden zu den nächsten großen Entdeckungen beitragen, um Fragen wie „Was sind die fundamentalen Gesetze des Universums?“ und „Wie ist das Universum entstanden und woraus besteht es?“ zu beantworten.