Die Grafik zeigt die Laserarme von LISA bei der Erkennung von Gravitationswellen genannten Wellen in der Raumzeit (Bildnachweis: ESA)
Der erste weltraumgestützte Gravitationswellendetektor der Menschheit hat grünes Licht erhalten.
Die Mission Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die aus drei Raumfahrzeugen besteht, die zusammen einen einzigen Gravitationswellendetektor bilden, ist eine Zusammenarbeit zwischen der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Der Start ist für Mitte der 2030er Jahre geplant.
Die Annahme von LISA wurde von der ESA am 25. Januar bekannt gegeben und erkennt an, dass das Missionskonzept und die dazugehörige Technologie ausreichend fortgeschritten sind. Grünes Licht bedeutet, dass die Wissenschaftler mit dem Bau des Raumfahrzeugs und der erforderlichen Instrumente beginnen können. Die Arbeiten werden im Januar 2025 beginnen, nachdem ein europäisches Industrieunternehmen für den Bau ausgewählt worden ist.
Die drei LISA-Raumsonden werden der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne folgen und ein gleichseitiges Dreieck im Weltraum bilden. Jede Seite dieses Dreiecks hat eine Länge von 2,6 Kilometern (1,6 Millionen Meilen). Das LISA-Raumschiff wird Laserstrahlen auf diese Seiten abfeuern, die sich minutenlang verändern werden, wenn Gravitationswellen über sie hinweggehen und die Struktur des Weltraums zusammendrücken.
„LISA ist ein Unterfangen, das noch nie zuvor versucht wurde“, sagte die leitende Wissenschaftlerin des LISA-Projekts, Nora Lützgendorf, in einer Erklärung. „Mit Hilfe von Laserstrahlen über Entfernungen von mehreren Kilometern können bodengestützte Instrumente Gravitationswellen aufspüren, die von Ereignissen mit sterngroßen Objekten stammen – wie Supernovaexplosionen oder der Verschmelzung von hyperdichten Sternen und stellarmassenreichen schwarzen Löchern. Um die Grenzen der Gravitationsforschung zu erweitern, müssen wir in den Weltraum gehen.
Gravitationswellen wurden zum ersten Mal von Albert Einstein vorhergesagt, der sie 1915 in seiner Theorie der Gravitation entwickelte: Diese revolutionäre Theorie besagt, dass die Schwerkraft dadurch entsteht, dass Objekte mit Masse die Struktur von Raum und Zeit krümmen, die in Wirklichkeit eine einzige Einheit bilden, die Raumzeit. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto größer ist die Krümmung, die dieses Objekt verursacht, und desto größer ist somit sein Gravitationseinfluss. Die allgemeine Relativitätstheorie erklärt daher beispielsweise, warum Sterne eine stärkere Gravitation haben als Planeten, schwarze Löcher aber eine stärkere Gravitation als Sterne.
Darüber hinaus besagt die allgemeine Relativitätstheorie, dass die Beschleunigung eines Körpers im Raum Wellen in der Raumzeit erzeugt, die nach außen strahlen. Diese Gravitationswellen sind unbedeutend, es sei denn, bei den beschleunigenden Objekten handelt es sich um massive kompakte Objekte (wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne), die umeinander kreisen und schließlich kollidieren. Kollabierende massive Sterne, die auch Supernova-Explosionen auslösen, können erhebliche Wellen aussenden.
Doch selbst in den extremsten Fällen glaubte Einstein, dass Gravitationswellen zu schwach sein würden, um sie von der Erde aus zu entdecken. Glücklicherweise haben das Laser Interferometer Gravitationswellen Observatorium (LIGO) in den USA und das Virgo Interferometer in Italien im September 2015 tatsächlich Wellen in der Raumzeit entdeckt. Diese Wellen entstanden durch die Kollision und Verschmelzung zweier schwarzer Löcher mit der 29- und 36-fachen Masse der Sonne, die über 1 Milliarde Lichtjahre entfernt sind.
Seitdem haben Gravitationswellenastronomen Signale von einer Vielzahl von Ereignissen entdeckt, darunter weitere Verschmelzungen von Schwarzen Löchern, Kollisionen von Neutronensternen und sogar gemischte Verschmelzungen zwischen einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern.
(Bildnachweis: ESA)
LISA ist bereit, diese Errungenschaft als weltraumgestütztes Interferometer mit der Empfindlichkeit, Gravitationswellen von verschmelzenden schwarzen Löchern, Neutronensternen und Supernovae in viel größeren Entfernungen zu „hören“, als es für erdgebundene Detektoren möglich ist, noch weiter zu bringen. Das bedeutet auch, dass es in der Lage sein wird, nach Wellen zu suchen, die von weiter zurückliegenden Ereignissen herrühren.
„Dank der enormen Entfernung, die die Lasersignale auf LISA zurücklegen, und der hervorragenden Stabilität der Instrumente werden wir Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen untersuchen, als es auf der Erde möglich ist, und dabei Ereignisse von ganz anderem Ausmaß aufdecken, die bis in die Anfänge der Zeit zurückreichen“, sagte Lützgendorf.
(Bildnachweis: ESA)
Neben der Entdeckung von Gravitationswellen aus weiter entfernten Quellen sollte LISA den Astronomen auch die Empfindlichkeit bieten, um nähere und weniger extreme Ereignisse zu untersuchen, wie z. B. die Verschmelzung von kompakten weißen Sternen, die entstehen, wenn kleinere Sterne wie die Sonne sterben.
„Seit Jahrhunderten untersuchen wir unseren Kosmos durch das Einfangen von Licht. Wenn wir dies mit der Entdeckung von Gravitationswellen koppeln, eröffnet sich eine völlig neue Dimension für unsere Wahrnehmung des Universums“, sagte der LISA-Projektwissenschaftler Oliver Jennrich in der Erklärung. „Wenn wir uns vorstellen, dass wir den Kosmos bisher mit unseren astrophysikalischen Missionen wie einen Stummfilm betrachtet haben, dann wird die Erfassung der Wellen der Raumzeit mit LISA ein echter Wendepunkt sein, so wie damals, als der Ton zu Kinofilmen hinzugefügt wurde.“
