LISA Pathfinders wissenschaftliche Missionsphase beginnt

Absolut ruhiges Satellitenlabor soll Schlüsseltechnologien für die Gravitationswellen-Messung im Weltraum überprüfen

Nach erfolgreichem Abschuss einer langen Reihe von Tests des Satelliten und der Nutzlast hat die ESA-Mission LISA Pathfinder ihre wissenschaftliche Missionsphase begonnen. Während der nächsten sechs Monate werden die Missionswissenschaftler hunderte Experimente durchführen, um den Weg für zukünftige Weltraumobservatorien wie eLISA zu ebnen. Forschende des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover sind wichtige Missionspartner.

LISA Pathfinder ist eine Satellitenmission zur Technologiedemonstration und befindet sich rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt in Richtung der Sonne. Dort haben Missionswissenschaftler nun ein Weltraumlaboratorium aufgebaut, um den perfekten freien Fall zweier würfelförmiger Testmassen zu untersuchen. Das Team wird damit notwendige Technologien für zukünftige Gravitationswellen-Observatorien im Weltraum testen.

„Wir stehen jetzt am Anfang der zweiten Woche von LISA Pathfinders wissenschaftlicher Mission und sind absolut begeistert davon wie gut unsere ersten Experimente gelaufen sind“, sagt Prof. Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover, der zudem Co-Principal Investigator des LISA Technology Package – das wissenschaftliche Herz des Satelliten – ist. „Für die nächsten Wochen gibt es einen engen Zeitplan von Experimenten, die wir auf dem Satelliten durchführen wollen. Damit wollen wir letztendlich zeigen, dass wir ein großes Gravitationswellen-Observatorium im All bauen können.“

Gravitationswellen im Weltraum messen

Einstein sagte Gravitationswellen aus seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorher. Sie wurden vor kurzem – 100 Jahre nach der Vorhersage – erstmals von den Advanced LIGO-Detektoren auf der Erde nachgewiesen. Observatorien im Weltraum wie eLISA werden existierende Detektoren auf der Erde ergänzen, indem sie niederfrequente Gravitationswellen messen, die sich auf der Erde nicht nachweisen lassen.

Solche Observatorien nutzen Testmassen im perfekten freien Fall, die von allen äußeren Kräften bis auf die Gravitation isoliert sind. Das Dehnen und Stauchen der Raumzeit von durchlaufenden Gravitationswellen wird dabei durch die dauerhafte Überwachung des Abstands der beiden frei fallenden Testmassen gemessen. Diese werden sich in drei Satelliten im Abstand von Millionen von Kilometern befinden. Laser werden die Abstände vermessen.

LISA Pathfinder enthält einen dieser sogenannten Laserarme, der auf 38 Zentimeter verkleinert wird, damit er in den Satelliten passt. Dort wird ein Paar identischer Gold-Platin-Würfel in Vakuumkammern platziert. Missionswissenschaftler stellen nun sicher, dass sich die Massen tatsächlich nur unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegen. Max Planck- und Leibniz Universität-Forschende leiteten und überwachten die Konstruktion des präzisen optischen Messsystems, das dafür genutzt wird.

Selbst im Weltraum, weit entfernt von allen Störeinflüssen, wirken verschiedene innere und äußere Kräfte auf die Würfel ein. LISA Pathfinder überwacht diese und nutzt Triebwerke mit Schubkräften im Mikro-Newton-Bereich, um den Satelliten stets einem Würfel folgen zu lassen. Zusätzlich können beide Testmassen feinfühlig mittels elektrostatischer Felder bewegt und kontrolliert werden.

Der perfekte freie Fall

Um zu verstehen wie verschiedene Kräfte auf die Testmassen wirken und deren perfekten freien Fall stören, wird das Forschendenteam diese Kräfte absichtlich auf die Massen einwirken lassen und die Wirkung untersuchen. In einem dieser Experimente werden die Wissenschaftler die Temperatur innerhalb der Vakuumkammern erhöhen und die wenigen Restgasmoleküle erhitzen, um so zu messen, ob dies die Bewegung der Würfel beeinflusst. In ähnlichen Experimenten werden die Testmassen zunehmend stärkeren magnetischen oder elektrischen Kräften ausgesetzt werden, um deren Einflüsse zu charakterisieren.

„Wir wollen nicht nur den Einfluss der bekannten Störkräfte auf die Würfel minimieren, sondern auch die restlichen Effekte besser verstehen, die im Rauschen versteckt sind“, sagt Karsten Danzmann.

Datenanalyse für LISA Pathfinder in Hannover

Die wissenschaftliche Missionsphase von LISA Pathfinder hat offiziell am 1. März begonnen und wird sechs Monate dauern, davon 90 Tage für das LISA Technology Package und 90 Tage für das Disturbance Reduction System, ein zusätzliches Experiment des Jet Propulsion Laboratory der NASA.

Während der gesamten Betriebsdauer sind Max-Planck- und Leibniz Universität-Forschende wichtige Partner bei der Datenanalyse, die von zentraler Bedeutung bei der Gewinnung entscheidender Informationen aus den Messdaten ist. Sie spielten zudem eine führende Rolle bei der Entwicklung der verwendeten Software. Das Institut hat einen Kontrollraum in Hannover eingerichtet, der zur Unterstützung für den am Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt und für eingehendere Untersuchungen dient. Weil eine unmittelbare Datenanalyse für die Konfiguration nachfolgender Experimente erforderlich ist, nehmen Forschende des Instituts zudem am Schichtbetrieb am ESOC teil.

Finanzierungsinformation

LISA Pathfinder ist eine Mission der ESA. Daran beteiligt sind europäische Raumfahrtunternehmen unter der Systemverantwortung von Airbus DS, Forschungseinrichtungen aus Frankreich, Deutschland, Italien, den Niederlanden, Spanien, der Schweiz, und Großbritannien sowie die NASA.

LISA Pathfinder wird aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert.