Es kann nicht nur zuhören, sondern auch „messen“! Das europäische LISA-Projekt wird Gravitationswellen erfassen, die nur es sehen kann

Autor: Han Wenbiao, Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Wussten Sie? Gravitationswellen, die bisher nur auf der Erde „gehört“ werden konnten, werden bald im Weltraum messbar sein! Heute sprechen wir über das Weltraum-Gravitationswellendetektorprojekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna), das dieses Jahr in Europa offiziell gestartet wurde. Der vollständige Name lautet „Laser Interferometer Space Antenna“ und das Ziel besteht darin, niederfrequente Gravitationswellen im Weltraum zu erkennen.

Sie können sich Gravitationswellen als Wellen in der Raumzeit im Universum vorstellen. So wie das Werfen eines Steins in einen Teich Wellen auf der Wasseroberfläche erzeugt, können auch die heftigen Bewegungen von Himmelskörpern wie Schwarzen Löchern oder Neutronensternen solche Wellen erzeugen. Bei diesen Wellen handelt es sich eigentlich um Schwankungen in der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Wir nennen sie Gravitationswellen.

Wie also erkennt LISA Gravitationswellen und warum müssen wir Gravitationswellen im Weltraum messen? Lassen Sie mich Ihnen unten eine ausführliche Einführung geben.

Das Prinzip von LISA ist tatsächlich dem des bestehenden Gravitationswellendetektors auf der Erde, dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), sehr ähnlich. Beide nutzen die Technologie der Laserinterferometrie. LIGO verwendet einen Strahlteiler, um einen Laserstrahl in zwei Strahlen aufzuteilen, die an zwei langen Armen hin und her reflektiert werden. Beim Durchlaufen einer Gravitationswelle verändert sich die Länge der beiden reflektierenden Arme. Diese Änderung ist äußerst gering, vielleicht ein Tausendstel des Radius eines Protons, führt aber auch zu einer Änderung der Phase der beiden Laserstrahlen. Wenn sie erneut kollidieren und interferieren, ändert sich die Helligkeit mit der Zeit. Gravitationswellendetektoren nutzen dieses Prinzip, um sehr schwache Gravitationswellensignale zu erkennen.

Anders als LIGO auf der Erde bewegt LISA dieses Laserinterferometer in den Weltraum. Es besteht aus drei identischen Raumfahrzeugen, die die Sonne umkreisen, wobei sich die Erde mehrere zehn Millionen Kilometer hinter der Erde befindet. Die Umlaufbahn ist sehr geschickt gestaltet, sodass die drei Raumfahrzeuge immer ein gleichseitiges Dreieck beibehalten, wobei die drei Raumfahrzeuge 2,5 Millionen Kilometer voneinander entfernt sind. Dies entspricht einer Laserarmlänge von 2,5 Millionen Kilometern und übertrifft die vier Kilometer von LIGO bei weitem.

Daher kann man sich die Schwierigkeit der Ingenieurstechnologie vorstellen. Bei einer so großen Entfernung ist es eine große Herausforderung, sicherzustellen, dass der aus 2,5 Millionen Kilometern Entfernung ausgesendete Laser erfasst werden kann. Aufgrund der komplexen Umgebung im Weltraum sind Raumfahrzeuge verschiedenen nicht-gravitationalen Störungen ausgesetzt, die zu Fehlern bei der Erkennung von Gravitationswellen führen können.

Zu diesem Zweck verwendeten die Wissenschaftler eine magische technische Lösung. Im Inneren jedes Raumfahrzeugs befinden sich kleine, aus einer Gold-Platin-Legierung bestehende, aufgehängte Würfel, die in einem Vakuumhohlraum isoliert sind. Die Schwerkraft hat eine sehr magische Eigenschaft: Sie kann nicht abgeschirmt werden, andere Wechselwirkungen, wie etwa elektromagnetische Kräfte, hingegen schon. Auf diese Weise spüren diese kleinen Würfel nur die Schwerkraft. Doch das Raumschiff, das es transportierte, war verschiedenen Störungen ausgesetzt. Hierzu ist es auch erforderlich, eine widerstandsfreie Technologie zu verwenden, um das Raumfahrzeug präzise zu steuern, sodass es sich mit dem kleinen Würfel bewegt. Beim Durchlaufen einer Gravitationswelle verändert sich der Abstand dieser Massen geringfügig. LISA verwendet eine Technik namens Laserinterferometrie, um diese Änderungen so präzise zu messen, dass sie selbst dann erkannt werden können, wenn sie nur wenige Pikometer betragen (ein Pikometer ist ein Billionstel Meter).

Eine derart große Armlänge ermöglicht es LISA, Gravitationswellensignale im Millihertz-Band zu erkennen. Diese niederfrequenten Gravitationswellen stammen in der Regel von supermassereichen Schwarzen Löchern mit einer Masse von Millionen Sonnenmassen. Dies ist etwas, was das bodengestützte LIGO nicht erkennen kann. Aufgrund der extrem hohen Empfindlichkeit von LISA kann das Instrument verschiedene Gravitationswellensignale unmittelbar nach der Entstehung des Universums erfassen und uns so wissenschaftliche Erkenntnisse über das frühe Universum liefern.

Natürlich möchte unser Land nicht zurückbleiben und hat mit Taiji und Tianqin zwei Projekte zur Gravitationswellenerkennung im Weltraum vorgeschlagen, um mit LISA im Weltraum zu konkurrieren und gemeinsam die Geheimnisse des Universums zu erforschen.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autorname: Han Wenbiao

Gutachter: Liu Congliang, Forscher, National Space Science Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.