LISA Pathfinder – der Countdown läuft
AEI-Forscher federführend an der Satelliten-Mission LISA Pathfinder beteiligt, die am 2. Dezember starten soll
Am 2. Dezember um 5:15 Uhr MEZ soll vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou (Französisch-Guyana) eine Vega-Rakete abheben und einen „Pfadfinder“ ins All bringen: LISA Pathfinder, so sein Name, soll neuartige Technologien für das geplante Gravitationswellen-Observatorium eLISA demonstrieren, das eines Tages den Sound des Universums einfangen wird. Im LISA Pathfinder-Projekt stecken mehr als zehn Jahre wissenschaftlicher Entwicklungsarbeit, an denen das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover als einer der führenden Partner beteiligt ist.
Wichtige Aktualisierung: Aufgrund von technischen Schwierigkeiten mit der Trägerrakete wird sich der Start von LISA Pathfinder auf nach den 2. Dezember um mindestens einen Tag verschieben. Die Entscheidung über einen neuen Startzeitpunkt wird am 2.12. erwartet.
„Mit LISA Pathfinder werden wir zentrale Technologien für zukünftige Missionen wie eLISA demonstrieren und so der Messung von Gravitationswellen im Weltraum entscheidend näher kommen“, sagt Prof. Dr. Karsten Danzmann, Direktor am Albert-Einstein-Institut und Professor an der Leibniz Universität Hannover.
Freier Fall am Lagrangepunkt
Nach dem Start am 2. Dezember wird LISA Pathfinder (LPF) eine Parkbahn nahe der Erde einnehmen und sich rund zwei Stunden später von der Oberstufe der Rakete trennen. Von 6. Dezember an beginnt dann eine Reihe von sechs Bahnkorrekturmanövern, die den erdfernsten Punkt der elliptischen Umlaufbahn innerhalb von fünf Tagen immer weiter anheben.
Schließlich wird LPF den Erdorbit vollständig verlassen und auf einer Transferbahn in Richtung des sogenannten Lagrangepunkts L1 driften – rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde in Richtung Sonne entfernt. Nach rund 40 Tagen Reisezeit wird der Satellit dort ankommen und eine Bahn um den Lagrangepunkt einnehmen. Diese bietet ideale Bedingungen für die Hauptaufgabe von LISA Pathfinder: zwei Testmassen im perfekten freien Fall zu platzieren und dabei ihre Positionen mit nie zuvor erreichter Präzision zu vermessen und zu kontrollieren.
Dieses wissenschaftliche Kunststück wird nur mit ausgeklügelten, technisch überaus anspruchsvollen Methoden funktionieren, etwa mit Trägheitssensoren, hochgenauen Lasermessungen, einem berührungsfreien Kontrollsystem und einem extrem präzisen Antrieb. All diese Technologien sind für das im Weltraum geplante Gravitationswellen-Observatorium eLISA unentbehrlich.
Zwei würfelförmige Testmassen
In jedem der beiden separaten Vakuumtanks der wissenschaftlichen Nutzlast von LPF soll während des Missionsbetriebs jeweils eine zwei Kilogramm schwere, würfelförmige Testmasse frei von allen inneren und äußeren Störkräften schweben und so die präzise Vermessung und Kontrolle einer kräftefreien Bewegung im Raum demonstrieren.
Mittels Laserinterferometrie werden die Positionen und die Ausrichtung der beiden Testmassen relativ zum Satelliten und zueinander mit bisher unerreichter Genauigkeit von etwa zehn Pikometern (hundertmillionstel Millimeter) bestimmt. Dieses optische Präzisionsmesssystem wurde unter Federführung und mit maßgeblicher Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover entwickelt und gebaut. Prof. Dr. Karsten Danzmann ist außerdem Co-Principal Investigator für das LISA Pathfinder Technology Package, das wissenschaftliche Herzstück des Satelliten.
Datenauswertung in Hannover
Die wissenschaftliche Hauptmission von LISA Pathfinder beginnt am 1. März 2016 und wird mindestens sechs Monate dauern. Während dieser Zeit wollen die Wissenschaftler viele einzelne, aufeinander aufbauende Experimente ausführen. Diese sollen den nahezu perfekten freien Fall vermessen, indem sie die nicht von der Schwerkraft stammenden Störbeschleunigungen bestimmen, wesentliche Störquellen identifizieren und falls erforderlich weiter minimieren.
Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover ist führend an der Entwicklung der Auswertungssoftware beteiligt, die eine zentrale Rolle beim Extrahieren der entscheidenden Information aus den Messdaten spielt. Dafür betreibt das Institut einen Kontrollraum in Hannover. Da eine unmittelbare Auswertung der Daten für die Konfiguration der Folgeuntersuchungen entscheidend ist, besetzen Forscher des Instituts außerdem rund um die Uhr Schichten im Darmstädter Kontrollzentrum der europäischen Weltraumagentur ESA.
Hintergrundinformationen nach dem Seitenumbruch
Das hochempfindliche Messsystem von LISA Pathfinder
In den zwei separaten Vakuumtanks der wissenschaftlichen Nutzlast von LPF sollen während des Missionsbetriebs jeweils eine würfelförmige Testmasse von zwei Kilogramm (nahezu) frei von allen inneren und äußeren Störkräften schweben und so die präzise Vermessung einer kräftefreien Bewegung im Raum demonstrieren. Eine spezielle Gold-Platin-Legierung sorgt dafür, dass auf die Massen keine magnetischen Kräfte wirken; eine berührungslose Entladung mit Hilfe von UV-Strahlung stellt sicher, dass keine elektrostatische Aufladung erfolgt. Eine besondere Herausforderung stellt dabei der sogenannte Caging-and-Venting-Mechanismus dar, der die Testmassen während der heftigen Vibrationen beim Start von LISA Pathfinder sichert, sie kontrolliert freigibt und sie gegebenenfalls auch wieder einfängt. Mittels Laserinterferometrie werden die Positionen und die Ausrichtung der beiden Testmassen relativ zum Satelliten und zueinander mit bisher unerreichter Genauigkeit von etwa 10 Pikometern (ein hundertmillionstel Millimeter) gemessen. Darüber hinaus werden die Positionen über kapazitive Inertialsensoren mit geringerer Genauigkeit erfasst. Die Messdaten werden dazu verwendet, mit Hilfe eines „Drag-Free Attitude Control System (DFACS)“ die Sonde so zu steuern, dass sie gewissermaßen stets auf eine der Testmassen zentriert bleibt. Die eigentliche Lageregelung des Satelliten erfolgt dabei durch Kaltgas-Mikronewton-Triebwerke. Diese ermöglichen eine extrem feine und gleichmäßige Regelung des Antriebschubs. Die Schubkräfte liegen im Bereich von Mikronewton – dies entspricht der Gewichtskraft eines Sandkorns auf der Erde.
Wegbereiter für eine neue Astronomie
LISA Pathfinder ist Wegbereiter für eLISA, ein großes Weltraumobservatorium, das eines der am schwersten fassbaren astronomischen Phänomene direkt beobachten soll – Gravitationswellen. Der Nachweis dieser von Albert Einstein im Jahr 1916 vorhergesagten winzigen Verzerrungen der Raumzeit erfordert eine sehr empfindliche und hochpräzise Messtechnik.
Weltraumobservatorien wie eLISA werden Gravitationswellen mit Frequenzen im Millihertz-Bereich nachweisen, wie sie Paare extrem massereicher schwarzer Löcher oder Doppelsternsysteme aus weißen Zwergen aussenden. So ergänzen sie irdische Detektoren wie GEO600, aLIGO und Virgo, die bei höheren Frequenzen (im Audiobereich) Gravitationswellen von weniger massereichen Objekten aufspüren sollen.
Im Zusammenspiel mit anderen astronomischen Methoden werden diese Gravitationswellen-Observatorien bisher noch unbekannte Bereiche beobachten, gleichsam die dunkle Seite des Universums. Mit eLISA wollen die Forscher in 20 Jahren verfolgen, wie massereiche schwarze Löcher entstehen, wachsen und miteinander verschmelzen. Und auch die Entwicklung von Galaxien während der gesamten Vergangenheit des Universums wird sich erfassen lassen. Außerdem soll das eLISA Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überprüfen und nach bisher unbekannter Physik suchen.
