Künstlerische Darstellung des LISA Pathfinder Forschungssatelliten im Weltall mit der Erde im Hintergrund

LISA Pathfinder hat den Test bestanden

Nach dem Start des Satelliten LISA Pathfinder im Dezember letzten Jahres begann vor etwa drei Monaten die Testphase – rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Die ESA-Mission soll die Messtechnik für das geplante Weltraumobservatorium eLISA überprüfen. In dem Fachblatt „Physical Review Letters“ präsentiert das internationale Forscherteam die Ergebnisse der ersten Tests.

Im Inneren des Satelliten von LISA Pathfinder lassen die Forscher zwei identische Würfel mit einer Gold-Platin-Legierung nebeneinander frei schweben – ohne mechanischen Kontakt zum Satelliten. Um solch einen sogenannten freien Fall im Weltraum zu gewährleisten, müssen Störungen wie der Sonnenwind und der Strahlungsdruck des Sonnenlichts abgeschirmt werden. So stellen die Forscher sicher, dass die Massen sich nur unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegen. Durch ein Laserinterferometer überwachen sie dann die relativen Positionen der Würfel zueinander und zum Satelliten. Dieser muss ständig seine Position und Ausrichtung korrigieren, um den Massen zu folgen.

Künstlerische Darstellung des Forschungssatelliten LISA Pathfinder, an dem sich links und recht jeweils eine Vakuumkammer befindet, in der jeweils ein Goldkubus enthalten ist.
Technologiekern des Test-Satelliten

„Mit LISA Pathfinder haben wir den ruhigsten der Menschheit bekannten Ort geschaffen“, sagt Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik wie auch am Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. Die Ergebnisse zeigen, dass die Testmassen relativ zueinander nahezu bewegungslos schweben und im Weltraum ein Großteil der Störkräfte identifiziert und ausgeschaltet werden kann. „Aufregend ist das natürlich alles. Und es hat sehr viel besser funktioniert, als wir das jemals angenommen haben. Nun steht der Hauptmission nichts mehr im Weg“, so Danzmann.

Das Weltraumobservatorium eLISA soll voraussichtlich 2034 starten, um existierende Gravitationswellen-Detektoren auf dem Boden zu ergänzen. Es besteht aus drei Satelliten und würde die Aufgabe übernehmen, stark niederfrequente Gravitationswellen zu messen, die sich auf der Erde nicht nachweisen lassen. So kann beispielsweise der Bodendetektor Advanced LIGO, der 2015 zum ersten Mal Gravitationswellen direkt gemessen hatte, Signale mit Frequenzen von einigen zehn bis zu mehreren tausend Hertz empfangen. Allerdings haben Gravitationswellen ein viel breiteres Spektrum. Die stark niederfrequenten Gravitationswellen, auf die künftige Weltraumdetektoren abzielen, werden durch kosmische Großereignisse wie das Verschmelzen extrem massereicher Schwarzer Löcher bei Galaxienkollisionen erzeugt.

Albert Einstein hatte Gravitationswellen schon vor hundert Jahren postuliert, sie sind eine direkte Folge aus den Feldgleichungen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Wellen entstehen, wenn Massen im Universum sich beschleunigt bewegen. Von diesen Quellen ausgesandt stauchen und strecken Gravitationswellen den Raum minimal, während sie ihn durchlaufen. Dadurch verändern sie den Abstand zwischen Objekten im Raum – wie beispielsweise zwischen zwei frei fallenden Goldwürfeln. Um diese Raumverzerrungen mit sehr niedrigen Frequenzen im Millihertzbereich nachzuweisen, müssen die Detektoren auch für winzige relative Längenänderungen zwischen Objekten im Abstand von Millionen von Kilometern sensibel sein.

Hauptziel von LISA Pathfinder ist es herauszufinden, ob das Messprinzip im Weltraum funktioniert. Die Testphase soll noch bis Ende Juni dieses Jahres laufen. Für die Zeit danach beantragen die Forscher eine Verlängerung der Mission, um weiter zu testen. So wollen sie sicherstellen, dass die Technik schließlich bei dem geplanten Weltraumobservatorium eLISA eingesetzt werden kann, um stark niederfrequente Gravitationswellen zu finden. „Bei eLISA sind es auch zwei Goldklötze, aber dazwischen sind ein paar Millionen Kilometer“, sagt Danzmann.