LISA Pathfinder: Die Gravitation eines Moskitos messen

LISA Pathfinder dient als Technologie-Demonstrations-Mission für den Weltraum-Gravitationswellendetektor eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna) der Europäischen Weltraumagentur ESA. eLISA soll in einigen Jahren als Weltraumobservatorium niederfrequente Gravitationswellen beobachten. Das System wird aus drei Satelliten bestehen, die in Dreiecksformation um die Sonne Kreisen. Die Abstände zwischen den Sonden werden mit Laserstrahlen vermessen, um Gravitationswellen über die sich minimal ändernden Distanzen nachweisen zu können.

Mit LISA Pathfinder wird diese Methode derzeit auf einer Satellitenplattform erprobt, indem der Abstand zweier Testmassen, die von allen äußeren Einflüssen abgeschirmt werden, vermessen wird. Am dritten Dezember ist LISA Pathfinder gestartet, die wissenschaftlichen Experimente haben soeben begonnen. "Bisher ist alles genau nach Plan verlaufen, das System ist in ausgezeichneter Verfassung", sagt Martin Hewitson, Leiter des Datenanalyseteams bei der Pathfinder-Mission, im futurezone-Interview. Der Satellit befindet sich am ersten Lagrange-Punkt (L1, jener Punkt zwischen Erde und Sonne, an dem sich die Schwerkraft der beiden Körper aufhebt).

futurezone: Was soll LISA-Pathfinder leisten?
Martin Hewitson:Der Hauptzweck der Mission ist es zu zeigen, dass wir die Testmassen so exakt im freien Fall positionieren können, dass Störquellen vernachlässigbar werden. Nur so können wir den Einfluss von Gravitationswellen messbar machen.

Pathfinder wird aber noch keine Gravitationswellen messen.
Nein. Der Abstand zwischen den Testmassen auf Pathfinder ist viel zu gering, um damit Gravitationswellen zu messen.

Wir sieht der Detektor an Bord des Satelliten aus?
An Bord sind zwei je zwei Kilo schwere Würfel aus einer Gold-Platin-Legierung, die als Testmassen dienen. Diese befinden sich in Gehäusen und werden komplett vom Satelliten entkoppelt, so dass sie den Satelliten nicht mehr berühren und sich in möglichst perfektem freiem Fall befinden. Es gibt praktisch keine Wechselwirkungen zwischen den Testmassen und der Satellitenplattform, abgesehen von vernachlässigbaren Kopplungseffekten, etwa durch Gasreste und elektrostatische Einwirkung entlang einiger Achsen. So werden die Würfel nicht beeinflusst und wir können die winzigen Bewegungen der Würfel relativ zueinander und zum Satelliten mit einem Laserinterferometer messen.

Warum sind die Würfel aus teuren Edelmetallen?
Die Massen dürfen nicht magnetisch sein, müssen gleichmäßige Dichte aufweisen und eine gut leitende Oberfläche haben, damit sich keine Ladungen aufbauen können. Gold und Platin sind gute Reflektoren für die Laser und schwer, wodurch externe Störungen sich weniger stark auswirken.

Wir sprechen von freiem Fall. Wohin fallen die Testmassen?
Sie befinden sich in annähernd perfektem freiem Fall im Orbit um den ersten Lagrange-Punkt, der genau zwischen Erde und Sonne liegt und selber einem heliozentrischen Orbit folgt. Es handelt sich praktisch um ein Inertialsystem.

Wie empfindlich ist das Instrument?
Die Messung erfasst Abweichungen im Pikometerbereich, das ist ein Millionstel eines Millionstel Meters. Geringe Temperaturschwankungen können schon zum Problem werden. Ein Moskito, der in einigen Zentimeter an der Vorrichtung vorbei fliegt, würde die Messung allein durch seine Gravitation stören. Wir haben die Position jedes Drahtes und jeder Schraube vermessen und das Gravitationspotenzial am Computer modelliert, um es möglichst flach gestalten zu können. Ansonsten würde das Gravitationszentrum des Satelliten die Würfel ablenken.

Wurde das vorher schon einmal versucht?
Wir vermessen die Position der Würfel extrem genau. Das ist mit einem Interferometer eigentlich kein Problem. Der LIGO-Detektor macht das im 100 Hertz-Spektrum regelmäßig. Die Schwierigkeit bei Pathfinder ist, dass wir im Millihertzbereich messen. Durch die langen Messzeiträume - wir sprechen von tausenden Sekunden - muss die Position der Massen auch lange sehr genau gehalten werden.

Wie können äußere Störungen verhindert werden?
Dazu muss die Lage des Satelliten ständig so korrigiert werden, da er ständig äußeren Einflüssen wie Sonnenwind ausgesetzt ist. Diese externen Kräfte verschieben die Sonde relativ zu den Würfeln. Das nutzen wir auch aus: Die Solarpanele schauen ja immer in Richtung Sonne. Durch den Druck des Sonnenwindes mussten wir Steuerdüsen nur auf der anderen Seite anbringen. Wir surfen quasi auf dem Sonnenwind.

Mit welchem Antrieb wird die Position des Satelliten korrigiert?
Wir verwenden einen Kaltgasantrieb. Dabei wird mitgeführter flüssiger Stickstoff kontrolliert über Steuerdüsen abgelassen. Der Schub bewegt sich im Bereich weniger Mikronewton. Es sind einige Kilogramm Treibstoff an Bord. Das wird für etwa ein Jahr ausreichen, abhängig davon, wie oft wir den Orbit um L1 korrigieren müssen.

Wie wird die Position der Würfel in allen Achsen erfasst?
Beide Testmassen sind in ihren Gehäusen von zwei Elektroden pro Würfelfläche umgeben, mit denen die Position der Würfel auf den Achsen ohne Interferometer ausgelesen werden kann. Durch elektrostatische Kräfte können wir die Würfel auch kontrollieren.

Was passiert in den kommenden Monaten genau?
Wir werden eine Reihe an Experimenten machen, um zu sehen, wie sich das System verhält. Wir wollen herausfinden, wie sich Störungen durch Wärme, Gasreste und Elektronik auf die Messung auswirken. Die ESA und die beteiligten Wissenschaftler werden drei Monate lang experimentieren. Dann übernimmt die NASA für drei Monate, die ebenfalls Ausrüstung an Bord hat, die sie testen wollen, etwa ihre eigenen separaten Düsen. Am Ende gibt es dann vielleicht aufwendigere Versuche.

Zum Beispiel?
Das Freisetzen der Würfel war ein kritischer Moment, weil sie um den Start zu überstehen mit enormer Kraft fixiert waren, sie aber extrem präzise freigesetzt werden müssen. Am Ende der Mission können wir versuchen, die Würfel wiederholt zu greifen und wieder loszulassen, um die Verteilung der resultierenden Geschwindigkeiten zu vermessen. Auf der Erde konnte das nie getestet werden.

Wie wird der Gravitationswellendetektor, für den Pathfinder eine Vorstufe ist, tatsächlich aussehen?
Wir sprechen bei jeder Drei-Satelliten-Konfiguration von einem LISA-Konzept (Laser Interferometer Space Antenna). Davon gibt es mehrere Varianten, eLISA ist eine davon. Was wirklich kommen wird, weiß noch niemand. Beim Design gibt es großen Spielraum, vor allem wegen der nötigen Abwägung der Kosten. Ich hoffe auf ein Konzept mit drei Armen, also ein gleichseitiges Interferometer-Dreieck mit Seitenlänge von fünf Millionen Kilometer. Aus technischer Sicht könnten wir LISA mit einer Testmasse pro Sonde auskommen. Es werden aber zwei sein, aus Gründen der Redundanz.

LISA, eLISA - die Namen sind verwirrend.
Wir nennen es LISA-Konzept oder einfach nur LISA.

Wann wird es so weit sein?
Zur Zeit ist geplant, dass LISA 2034 startet. Dann könnte es ca ein Jahr nach Erreichen des Orbits den Messbetrieb aufnehmen. Die Entwicklung wird in den frühen 20er Jahren beginnen. Für uns hat die Arbeit an der Technologie-Entwicklung ja bereits begonnen. Ich hoffe, dass derLIGO-Fund und die gut funktionierende Pathfinder-Mission dem Projekt zusätzlichen Schub verleihen.

Welche Art von Quellen für Gravitationswellen werden wir mit LISA sehen?
Größere und langsamere Systeme als mit LIGO. Schwarze Löcher, die um Galaxienzentren kreisen, haben langsamere und größere Orbits. Hier sind wir in der Millihertz-Region, die LISA abdeckt. Galaxienkollisionen werden ebenfalls eine mögliche Quelle. Man braucht jedenfalls immer Massen, die beschleunigt werden. Mit LISA könnten wir eine detaillierte Karte der Raumzeit rund um die supermassiven schwarzen Löcher in Galaxienzentren erstellen, weil wir Millionen von Orbits von schweren Objekten, die um dieses Zentrum kreisen, beobachten könnten.

Wird das Gravitationswellen-Echo des Urknalls mit LISA zu erkennen sein?
Es gibt verschiedene Theorien zum Gravitationswellenäquivalent des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Wir könnten mit LISA vielleicht Spuren dieses Signals aufspüren, sofern die Armlänge tatsächlich fünf Millionen Kilometer betragen wird.

Wie groß wird die Reichweite von LISA sein?
Wir erwarten Rotverschiebungen im Bereich von 10 bis 20. Wir können damit Quellen beobachten, die anderen Messungen über elektromagnetische Strahlung nicht zugänglich sind.

Wo wird LISA positioniert werden?
LISA wird einer Umlaufbahn um die Sonne folgen. Alle drei Satelliten werden leicht unterschiedliche Orbits haben, jeweils im freien Fall um die Sonne, und folgen in einer gleichseitigen Dreieckskonfiguration der Erdbahn nach.