LISA, ein 1,6 Milliarden Dollar teures Gravitationswellen-Observatorium, das im nächsten Jahrzehnt starten soll, wird die Art und Weise, wie wir Gravitationswellen wahrnehmen, grundlegend verändern. Diese winzigen Raum-Zeit-Verzerrungen wurden vor über einem Jahrhundert vorhergesagt und erst vor acht Jahren erstmals nachgewiesen.
Im Herbst haben wir uns eingehend mit dem Design von LISA und den ingenieurtechnischen Herausforderungen befasst, die es zu bewältigen gilt, um diese futuristische Sonde ins All zu bringen. Nun haben wir Wissenschaftler gefragt, welche Daten LISA tatsächlich sammeln wird, welche Erkenntnisse diese Daten liefern könnten und wie sie unser Verständnis des Universums verändern werden – von den Quellen seiner Gravitationswellen bis hin zu deren Einfluss auf das gesamte Kosmos.
LISA: Einfach, aber präzise
LISA steht für „Laser Interferometer Space Antenna“ und besteht aus drei Raumsonden, die in einer festen dreieckigen Formation um die Sonne kreisen. LISA ist ein Interferometer, das Gravitationswellen mithilfe der Laserinterferometrie aufspürt. Dabei werden die Distanzen zwischen Massen mit außergewöhnlich präzisen Laserstrahlen gemessen. Diese sind etwa 8 Millionen Kilometer lang, wobei jede Seite des LISA-Dreiecks etwa 2,5 Millionen Kilometer umfasst.
Die Laser sind entscheidend, aber nur ein Bestandteil des LISA-Designs – sie dienen als Messwerkzeuge für die Abstände zwischen drei Metallwürfeln, die sich jeweils in einer der drei LISA-Sonden befinden. Diese Würfel bestehen aus einer Gold-Platin-Legierung, um magnetische Störungen zu minimieren. Das Ziel von LISA ist es, durch den Weltraum zu reisen, ohne dass etwas anderes als die Raumzeit selbst auf diese Würfel einwirkt.
„Die Grundidee des Designs ist, dass wir diese Würfel ins All schicken“, erklärte Saavik Ford, Astrophysikerin am American Museum of Natural History. „Wir wollen einfach, dass sie dort schweben und die reine Erfahrung der Raumzeit erleben, ohne dass andere Kräfte auf sie einwirken – und genau das ist die größte Herausforderung.“
Ein zentrales Problem ist, dass sich die Sonden so bewegen müssen, dass sie die Würfel nicht versehentlich berühren. „Man muss das Raumschiff so manövrieren, dass es nicht gegen die Massen driftet und sie versehentlich trifft. Das wäre katastrophal“, so Ford.
Der technische Anspruch ist enorm. Laut Jake Postiglione, einem ehemaligen Doktoranden von Ford, gleicht die Herausforderung dem Versuch, mit einem Laserstrahl von New York nach Los Angeles (auf einer flachen Erde) zu schießen und damit das Auge einer Fruchtfliege zu treffen – während sich sowohl der Laser als auch die Fruchtfliege bewegen.
NASA stellt mehrere Komponenten von LISAs Instrumentierung bereit, darunter das Lasersystem, die Teleskopsysteme und Vorrichtungen zur Regulierung elektrischer Ladungen auf den Testwürfeln.
Ein Weltraum-Orakel für uralte Schwarze Löcher
Gravitationswellen-Detektoren erfassen verschiedene Frequenzbereiche. Bodenbasierte Detektoren wie LIGO, Virgo und KAGRA sind besonders gut darin, hochfrequente Signale von stellar-massiven Schwarzen Löchern zu registrieren. Sobald jedoch die Masse dieser Objekte 200 Sonnenmassen übersteigt, wird der Frequenzbereich von der natürlichen Bewegung der Erde gestört.
„Ab einer bestimmten Frequenz ist der Boden einfach zu laut“, erklärt Ford. „Man kann es schlichtweg nicht mehr messen – man muss ins All.“
Pulsar-Timing-Arrays helfen zwar bei der Beobachtung der größten Schwarzen Löcher, doch auch hier spielt die Erde eine Rolle. Diese Arrays messen winzige Verzögerungen im Licht von Pulsaren – extrem schnell rotierenden Neutronensternen. 2023 lieferte ein Zusammenschluss mehrerer Pulsar-Timing-Projekte starke Hinweise auf einen gravitativen Hintergrund, der von gigantischen Schwarzen Löchern erzeugt wird.
LISA wird jedoch eine andere Frequenzlücke füllen: Die Mission wird niedrigfrequente Gravitationswellen detektieren, die für bodengestützte Detektoren im Rauschen untergehen. Dadurch kann LISA Verschmelzungen von massiven Schwarzen Löchern aufspüren sowie kompakte Binärsysteme und andere astrophysikalische Ereignisse untersuchen.
Rauschen im All vermeiden
Obwohl LISA im All arbeitet und weniger Störungen als erdgebundene Detektoren hat, wird das Observatorium kosmisches Rauschen filtern müssen. Weiße Zwerg-Binärsysteme, also kompakte Sterne, die umeinander kreisen und verschmelzen, erzeugen ebenfalls Gravitationswellen. Wenn solche Signale besonders ausgeprägt sind, können sie jedoch als „Verifikations-Binäre“ genutzt werden, um LISAs Fähigkeiten zu überprüfen.
Mit Millionen potenzieller Störquellen in unserer Galaxie ist eine ausgefeilte Datenanalyse erforderlich. Wissenschaftler arbeiten bereits jetzt an simulierten Datensätzen, um sich auf die echten Messwerte vorzubereiten.
Die Evolution des Universums nachzeichnen
„Es gibt eigentlich nur zwei Fragen in der Astrophysik: ‘Wie sind wir hierhergekommen?‘ und ‘Sind wir allein?‘“, erklärt Ford. „Nahezu jede Forschung zielt darauf ab, eine dieser beiden Fragen zu beantworten.“
Während Schwarze Löcher nicht direkt zur Suche nach außerirdischem Leben beitragen, sind sie essenziell für das Verständnis der kosmischen Entwicklung. Die Entstehung, das Leben und der Tod von Sternen sind untrennbar mit Schwarzen Löchern verknüpft. Diese massereichen Objekte beeinflussen ihre Umgebung, indem sie Materie ausstoßen und Galaxien formen.
LISA wird die Bewegung von Schwarzen Löchern beobachten und die Vielfalt der kompakten Objekte in unserem Universum besser charakterisieren. Diese Daten könnten kosmologische Modelle und bestehende Theorien, wie Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, weiter präzisieren.
