Samstag, 10. Februar 2018

LISA Pathfinder (SMART-2)

LISA Pathfinder
LISA Pathfinder (SMART-2) ist der Name eines Demonstrations-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). LISA Pathfinder soll zwölf Monate lang Techniken zum Nachweis von Gravitationswellen testen die im Jahr 2034 in größerem Maßstab bei der Mission eLISA/NGO (Evolved Laser Interferometry Space Antenna) zum Einsatz kommen sollen.

An LISA Pathfinder beteiligt sind europäische Raumfahrtunternehmen unter der Systemverantwortung von Airbus Defence and Space und Forschungseinrichtungen aus Frankreich, Deutschland, Italien, den Niederlanden, Spanien, der Schweiz, und Großbritannien sowie die Nasa.

Im Jahr 1915 stellte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie fertig. Sie sagt unter anderem auch voraus, dass unser Weltall voll von sogenannten Gravitationswellen die das Raumzeitgefüge verzerren sollen sein müsste. Sie entstehen demnach jedes Mal, wenn Massen bewegt werden und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Kosmos. Bisher konnten Gravitationswellen jedoch nicht direkt nachgewiesen werden. 

Gravitationswellen entstehen laut Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie immer dann, wenn Massen beschleunigt oder abgebremst werden. Sie sind aber nur von großen beschleunigten Massen messbar, wie sie im Kosmos existieren. Gravitationswellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit im Universum aus, ähnlich wie Wasserwellen in einem Teich, in den man einen Stein wirft. Typische Quellen für diese Wellen sind heftige Sternexplosionen (Supernovae), rotierende supermassive Schwarze Löcher sowie kompakte Neutronensterne beziehungsweise Schwarze Löcher, die sich umkreisen und ineinander stürzen. Aber auch beim Urknall und der kurzen Phase danach, bei der sich das Universum plötzlich stark ausdehnte, könnten Gravitationswellen entstanden sein, deren Spuren möglicherweise messbar sind.

Heute wird die Existenz von Gravitationswellen kaum mehr bestritten. Große Hoffnung setzen die Wissenschaftler auf die irdischen Gravitationswellenantennen Geo600 in Deutschland, Virgo in Italien und Ligo in den Vereinigten Staaten, die rund um die Uhr auf Empfang geschaltet sind, um Signale vom „Raumzeit-Beben“ aus den Tiefen des Weltalls einzufangen.

Eine Wende bei der Suche nach Gravitationswellen soll schließlich die ambitionierte Weltraummission Lisa („Laser Interferometer Space Antenna“) bringen. Drei baugleiche Sonden bilden im Formationsflug ein riesiges gleichseitiges Dreieck und registrieren geringste Abstandsänderungen infolge der Einwirkung von Gravitationswellen.

Um Gravitationswellen mit LISA als Gravitationswellendetektor nachzuweisen, müssen die Instrumente Gravitationsänderungen in der Größenordnung von 10−16 g und Entfernungsänderungen in einer Größenordnung von 10−12 m in einem Frequenzbereich von 0,001 bis 0,1 Hz erfassen. Bei LISA Pathfinder begnügt man sich mit einer um eine Größenordnung geringeren Messgenauigkeit. Während LISA Distanzmessungen zwischen Satelliten durchführt, die etwa 5 Millionen Kilometer voneinander entfernt sind, misst LISA Pathfinder den Abstand zweier Referenzkörper (Würfel mit 46 Millimeter Kantenlänge und einem Abstand von ca. etwa 38 cm) innerhalb des Satelliten. Diese werden sich am Lagrange-Punkt L1 im freien Fall befinden und unterliegen somit dem ausschließlichen Einfluss der Schwerkraft.

Als Messinstrument ist dazu ein 64×38×38 cm großes und 150 kg schweres Technologietestgerät an Bord des Satelliten installiert, das im Wesentlichen aus einer speziellen optischen Bank und diversen Mess-, Steuerungs- und Kontrollsystemen besteht. Diese enthält zwei Vakuumbehälter und jeweils eine würfelförmige Testmasse aus einer Gold-Platin-Legierung mit 46 mm Kantenlänge, welche bei der Messung darin frei in einem Abstand von etwa 38 cm schweben. Hauptnutzlast ist ein Laserinterferometer, welches den Abstand der beiden Würfel mit einer Genauigkeit von rund zehn Pikometern (hundertmillionstel Millimeter) bestimmt. Das Laserlicht wird über zwei Glasfasern in die Bank eingespeist. Zur exakten Lageregelung des Satelliten werden sehr schwache Ionentriebwerke, also elektrische Triebwerke (Field Emission Electric Propulsion) mit Cäsium als Antriebsmedium und einer Schubkraft von 0,1 bis 150 µN eingesetzt.

LISA Pathfinder wurde im Februar 2016 nahe dem Sonne-Erde-Librationspunkt L1 im Abstand von ca. 1,5 Mio km von der Erde positioniert.

Geschichte

1915. Albert Einstein stellt die Allgemeine Relativitätstheorie fertig. Sie beinhaltet unter anderem auch sogenannte Gravitationswellen die das Raumzeitgefüge verzerren sollen.

Ende der 1950er Jahre. Joseph Weber (Physiker aus den USA) unternimmt erste Versuche Gravitationswellen aufzuspüren. Dazu lässt er onnenschwere Aluminiumzylinder anfertigen, die durch Gravitationswellen zu Vibrationen angeregt werden sollen, ähnlich wie ein Hammerschlag eine Glocke zum Schwingen bringen. Mit hochempfindlichen Verstärkern möchte er die Oszillationen nachweisen. Allerdings sind sein Verfahren und alle späteren Experimente dieser Art bei Weitem nicht empfindlich genug. Deshalb bezweifelen viele Forscher, dass Gravitationswellen jemals nachgewiesen werden könnten. 

Anfang der 1970er Jahre. Die Astrophysiker und späteren Nobelpreisträger Russell Hulse und Joseph Taylor studieren viele Jahre lang die Bewegung des Doppelsternsystems PSR 1913+16. Dabei finden sie heraus, dass die beiden Neutronensterne Energie verlieren, was sich bestens mit der Aussendung von Gravitationswellen erklären lässt. 

November 2000. Der Bau von LISA Pathfinder (SMART-2) wird genehmigt. Für den Bau wird EADS Astrium von der ESA ausgewählt und ist damit für die Lieferung des startbereiten integrierten Satelliten verantwortlich. Die Mission wird etwa 430 Mio. Euro kosten.

2008. Zunächst geplanter Starttermin. Dieser wird jedoch mehrfach verschoben. In diesem Jahr gibt es einen weiteren Hinweis auf Gravitationswellen bei der Beobachtung des Quasars OJ287, in dessen Zentrum sich wahrscheinlich zwei Schwarze Löcher umeinander rotieren.

2011. Ursprünglich wollten ESA und NASA die Mission von LISA Pathfinder gemeinsam durchführen. die NASA zieht sich jedoch in diesem Jahr aus dem Projekt zurück. Daraufhin wird der Starttermin von LISA aufgrund von Sparmaßnahmen auf das Jahr 2034 verschoben. Der Start könnte jedoch früher erfolgen, wenn man neue zahlungskräftige Partner findet oder die Nasa wieder einsteigt.
In diesem Jahr wird auch das Doppelsternsystem mit der Kurzbezeichnung J0651 entdeckt, das Gravitationswellen abstrahlt.

2012. Die Esa wählt die Jupitermission „Juice“ zur L1-Mission (Start 2022), das Röntgenteleskop „Athena“ zur L2-Mission (Start 2028) und LISA zur L3-Mission. 

2013. Ein extrem massereicher Neutronenstern – der Pulsar J0348+0432 – und ein Weißer Zwerg, die sich umkreisen, werden ebenfalls als eine Quelle für Gravitationswellen identifiziert.

3. Dezember 2015. Der Satellit LISA Pathfinder startet mit einem Tag Verspätung am Morgen um 1.15 Uhr Ortszeit (5.15 Uhr mitteleuropäischer Zeit) vom Weltraumbahnhof Korou in Französisch-Guayana mit einer Vega-Trägerrakete. 
Sechseinhalb Minuten nach dem start zündet die vierte und letzte Stufe der Rakete in einer Höhe von 193 Kilometern. Danach dauert es fast zwei Stunden bis die Nachricht kommt dass die letzte Stufe der Trägerrakete abgetrennt ist und der Satellit seine elliptische Parkumlaufbahn in 244 Kilometern Höhe erreicht hat.

22. Januar 2016. LISA Pathfinder erreicht das Ziel, einen Orbit um den Sonne-Erde-Librationspunkt L1 im Abstand von ca. 1,5 Mio km von der Erde Richtung Sonne. Dort heben sich die Anziehungskräfte von Erde und Sonne fast auf. An Lagrange-Punkten (auch Librationspunkte genannt) heben sich die Gravitationskräfte zweier Körper und die Zentripetalkraft der Bewegung um den gemeinsamen Schwerpunkt gegenseitig auf. An diesen Stellen herrscht somit dauerhaft vollständige Schwerelosigkeit. Das macht die Lagrange-Punkte zu optimalen Umgebungen für Experimente, bei denen man äußere Krafteinwirkung vermeiden möchte. Dort befindliche Objekte verharren in Relation zu Erde und Sonne immer am gleichen Ort.
Um den L1-Punkt zu erreichen musste mehrmals die Flugbahn geändert werden. Nun wird der Raketenmotor abgeworfen. Erforderliche Korrekturen am Kurs des Satelliten sollen kleine Triebwerke übernehmen.

15. Februar 2016. Die mechanischen Verbindungen der beiden Testmassen werden im Innern des Satelliten gelöst. Sie schweben frei, werden jedoch noch mit elektrostatischen Kräften auf Position gehalten. Bevor die wissenschaftliche Mission von Lisa Pathfinder am 1. März beginnt finden noch weitere Überprüfungen statt.

22. Februar 2016. Die elektrostatischen Kräfte werden abgeschaltet. Nun befinden sich die beiden Testmassen im "freien Fall" innerhalb der Messapparatur, ohne jegliche Beeinflussung von außen. Mit winzigen, etwa zehnmal pro Sekunde erfolgenden Triebwerksschüben präzisiert der Satellit seine Position ganz genau, damit die Testmassen frei schweben und keinen mechanischen Kontakt zur Sonde haben. Sie werden dann an ihren Positionen im freien Fall mit bislang unerreichter Genauigkeit von einem Laserinterferometer überwacht.

8. März 2016. Die ESA gibt bekannt, dass die wissenschaftlichen Untersuchungen begonnen haben.

7. Juni 2016. Karsten Danzmann (Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik) stellt in Hannover erste Ergebnisse der Mission LISA Pathfinder vor. Alle Erwartungen der beteiligten Forscher sollen  bei weitem übertroffen worden sein.
Die Ergebnisse zeigen, dass die zwei Testmassen im Inneren des Satelliten frei im Weltall fallen und fast ausschließlich dem Einfluss der Schwerkraft unterliegen. Man konnte alle störenden Kräfte offenbar fünfmal besser vor äußeren Störeinflüssen schützen als ursprünglich erwartet. Zudem soll die Leistung des zugehörigen Laserinterferometers die nötige Messgenauigkeit um das Hundertfache übertreffen. Der Abstand der Testmassen kann im Femtometerbereich, also im Bereich von 10-15 Meter gemessen werden. Das weniger als der Durchmesser eines Atoms. Veränderungen in der Position der frei fallenden Testmassen sind
Nach dem Erfolg von Pathfinder wird über einen Wiedereinstieg der US-Amerikaner spekuliert.

7. Februar 2018. Wie die Europäische Weltraumagentur mitteilt, konnten in der Zwischenzeit Erschütterungen im Bereich von 20 µHz (0.00002 Hz) analysiert werden. Die Testmission hat dabei in Teilen schon Genauigkeiten erreicht, die erst von ihrem Nachfolger erwartet werden. LISA soll es deswegen möglich sein, nicht nur einzelne Gravitationswellen aufzuspüren, sondern deren Nachwirkungen monate- oder jahrelang verfolgen können.

2034. eLISA ist als L3 -Mission im Rahmen des „Cosmic Vision“-Programms der Europäischen Raumfahrtagentur Esa vorgesehen. 

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Bilder aus Wikimedia Commons
LISA Pathfinder, Lizenz: Creative Commons Attribution 2.0 Generic, Urheber: DLR German Aerospace Center

Quellen
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