Gravitationswellen: LISA Pathfinder ist auf dem Weg!

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… aber nicht einfacher
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Raketenstarts haben ihre eigenen Zeitvorgaben. “Bequeme Aufstehmöglichkeiten für europäische Zuschauer” ist, wenig überraschend, keines der Kriterien. Aber als vor einer Dreiviertelstunde mein Wecker klingelte, war ich natürlich trotzdem gleich wach: LISA Pathfinder sollte fliegen! Yay!

LISA Pathfinder hat zwar selbst keine Chance, Gravitationswellen nachzuweisen. Aber sie soll die dafür nötige Technologie testen, damit dann deutlich später – das Jahr 2034 ist im Gespräch, aber bis dahin kann sich natürlich noch einiges ändern – eLISA als richtiger weltraumgestützter Gravitationswellendetektor starten kann.

Das Grundprinzip ist einfach: Gravitationswellen wurden erstmals vorausgesagt von Albert Einstein 1916 als Konsequenz seiner Allgemeinen Relativitätstheorie – auch wenn längere Zeit nicht klar war, dass diese Wellen real sind, nicht nur Artefakte der vielfältigen Möglichkeiten in Einsteins Theorie, seine Koordinaten zu wählen.

Der direkte Effekt dieser Wellen ist, dass sie die Abstände zwischen frei fallenden Testkörpern ändern. In dieser Animation aus Die Wellennatur der Gravitationswellen (Einstein Online) sieht man (natürlich stark übertrieben!), wie sich die Abstände zwischen ringförmig angeordneten Testteilchen ändern würden, wenn von hinten nach vorne eine Gravitationswelle durch die Anordnung geht:

cyl_sliceSolche Schwingungszustände laufen durch den Raum, wenn eine Gravitationswelle da ist. Das hier ist mein Versuch, ebenfalls aus Die Wellennatur der Gravitationswellen (Einstein Online), die räumlichen Verhältnisse darzustellen:

cyl_plusDas Grundprinzip des Nachweises ist einfach: Man nehme verschiedene Testmassen, lasse sie frei fallen und bestimme wieder und wieder ihre Abstände. Allerdings muss man das in realistischen Situationen mit technisch fast unerreichbarer Genauigkeit tun. Selbst eine riesige Strecke wie der Abstand von Erde und Sonne ändert sich beim Durchgang einer typischen Gravitationswelle nur um Bruchteile des Durchmessers eines Wasserstoffatoms.

Dennoch leben wir in einer Zeit, wo es realistisch ist, solche Gravitationswellen mit viel technischem Aufwand endlich direkt nachzuweisen – passenderweise 100 Jahre nach der Entstehung der Allgemeinen Relativitätstheorie (siehe meinen entsprechenden Blogartikel hier bzw. meinen Vor-Ort-Besuch hier).

Mitte September haben die derzeit besten irdischen Gravitationswellen-Detektoren LIGO eine Messphase begonnen, in der eine realistische (wenn auch nicht sehr große) Chance eines direkten Nachweises bestand – schöne Informationen dazu finden sich regelmäßig auf dem Blog Living LIGO.

Aber selbst, wenn da schon etwas nachgewiesen worden sein sollte (und das werden wir erst deutlich später erfahren, wenn es der Fall war): Für Wellen mit einer Frequenz von unter 1 Hz gibt es in den irdischen Detektoren zuviele Störungen, als dass man hoffen könnte, sie von der Erde aus zu messen. In diesen Frequenzbereich fallen aber eine ganze Reihe interessanter Quellen: Weiße-Zwerg-Doppelsterne (die den Vorteil haben, dass man recht genau abschätzen kann, wieviele Quellen es gibt), aber zum Beispiel auch sich umkreisende und miteinander verschmelzende supermassereiche Schwarze Löcher.

Deswegen war ein weltraumgestützter Detektor für Gravitationswellen, die Laser Interferometer Space Antenna LISA, schon lange in Planung – wenn es da auch deutliche Verzögerungen gab. Insbesondere das ultrafein arbeitende Positionskorrektursystem ist alles andere als einfach zu bauen.  Kern des Systems sind tatsächlich frei fallende Testmassen; der Rest des Satelliten muss sich mithilfe der Positionskorrektursysteme (winziger Antriebe) ganz genau um diese Massen herum auf Position halten, ohne sich von Sonnenwind, Lichtdruck oder anderen Einflüssen auslenken zu lassen.

LISA in ihrer derzeitigen Inkarnation eLISA soll, wie erwähnt, im Jahre 2034 an den Start gehen und dann derzeitiger Planung nach als Formationsflug mit 3 Satelliten im gegenseitigen Abstand von jeweils einer Million Kilometer, verbunden über zwei Laser-Laufstrecken, auf die Suche nach Gravitationswellen gehen. Da die Technologie dafür allerdings durchaus neu und weitgehend auch noch nicht vor Ort im Weltraum getestet ist, war bereits seit langem klar, dass es vor der eigentlichen Mission noch eine Technologie-Testmission geben müssen würde. Diese Testmission ist LISA Pathfinder.

Das Teilinstitut Hannover meines alten Instituts, nämlich des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) hat eine wichtige Rolle gespielt, um das Herz von LISA-Pathfinder, nämlich die optische Bank zu entwickeln, mit der die Abstände der Testmassen überwacht werden. Daher habe ich LPF schon seit mittlerweile mehr als 10 Jahren auf dem Schirm – umso spannender, dann zumindest aus der Ferne zu sehen, wie es weiterging: Im Juni 2015 war die wissenschaftliche Nutzlast fertig und wurde in den Satelliten eingebaut. Und vor knapp anderthalb Stunden ist LPF an Bord einer Vega-Rakete vom Weltraumbahnhof Kourou der ESA aus gestartet.

Alle folgenden Bilder sind Screenshots aus der Live-Übertragung der ESA von vorhin, die man hier sehen konnte:

Unter dieser Abdeckung sitzt LPF und wartet: Screen shot 2015-12-03 at 5.00.52 AMHier die Rakete als ganzes:

Und im Kontrollraum in Kourou sitzen entsprechend viele gespannte Menschen:
Screen shot 2015-12-03 at 5.03.01 AM Screen shot 2015-12-03 at 5.03.11 AM…und Liftoff!

Screen shot 2015-12-03 at 5.32.34 AM

…und gleich danach ist die Rakete schon in den Wolken verschwunden und man sieht nur noch in Computeranimationen, wie die ersten Stufen abgetrennt werden, LPF eine Freifallphase durchmacht und so weiter. Wenn die ESA den entsprechenden Film online stellt, werde ich ihn hier einfügen:

Jetzt gibt es erst einmal ein Briefing aus der ESOC in Darmstadt, das man derzeit hier sehen kann:

ESOC Briefing

(Auch diesen Link ersetze ich dann später durch das Video, das ja hoffentlich online gestellt wird.)

Danach ist erst einmal Abwarten angesagt, bis LPF in einigen Wochen beim Lagrangepunkt L1 zwischen Erde und Sonne angelangt ist und die eigentlichen Testmessungen beginnen können.

 

Markus Pössel

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

18 Kommentare

  1. Eine Laienfrage:
    Wenn eine Gravitationswelle einen Arm eines Michelson-Interferometers dehnt, werden dann nicht die Lichtwellen in genau dem gleichen Maße gedehnt, so dass man keine Veränderung in ihrer Phasenlage messen kann?

    • Gute Frage (denn ich hab sie mir auch schon gestellt). Doch wenn es so wäre, gäbe es dann eine Lichtstrahlablenkung durch grosse Massen wie sie bei Sternen nahe der Sonne bei Sonnenfinsternis zu beobachten ist??

    • Karl Bednarik schieb (3. Dezember 2015 7:36):
      > Wenn eine Gravitationswelle einen Arm eines Michelson-Interferometers dehnt […]

      … dann wohl insbesondere im Vergleich zum anderen („orthogonalen“) Interferometerarm
      (von dem man entsprechend sagen würde, dass die Gravitationswelle ihn gestaucht hat).

      Folglich kann der Befund einer (Änderung der) Phasendifferenz durch eine (Änderung der) Krümmung der Region, die das Interferometer enthält, begründet sein; und eventuell sogar durch das Auftreten einer Gravitationswelle.

      • Frank Wappler schrieb (3. Dezember 2015 13:28):
        > […] kann der Befund einer (Änderung der) Phasendifferenz durch eine (Änderung der) Krümmung der Region, die das Interferometer enthält, begründet sein […]

        Jedenfalls kann der Befund einer (Änderung der) Differenz von Pingdauern durch eine (Änderung der) Krümmung der Region, die die beteiligten Enden enthält, begründet sein.
        (Vgl. https://www.aapt.org/doorway/tgrutalks/Saulson/SaulsonTalk-Teaching%20gravitational%20waves.pdf insbesondere S. 10: „Distance measurement in relativity …” bis S. 17 „Difference between x and y round-trip [durations]”.)

        In der Behauptung, dass eine derartige Differenz von Pingdauern unbedingt einer bestimmten Phasendifferenz entspricht (also insbesondere, dass durchwegs gleiche konstante Wellenlänge vorläge, wie in der o.g. Präsentation auf S. 18 eingesetzt) mag ich (u.a.) mich geirrt haben …

    • Nein, denn das würde der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit widersprechen: Wellenlänge wird größer/kleiner, Frequenz bleibt gleich, d.h. c = λ ν ändert sich.

      • Mit anderen Worten, eine Gravitationswelle verursacht keine Zeitdilatation,
        sie verändert “tatsächliche” Abstände. Kurios ist, das sie den Gang einer Uhr
        nicht beeinflußt, aber deren Form.

    • Mehrere Teilantworten: Meist steht hinter der Frage die Vorstellung, das Licht würde als so eine Art statischer Zollstock im Interferometer liegen – dann wäre tatsächlich nicht klar, dass eine gemeinsame Dehnung von Armlänge und Lichtwellenlänge einen Unterschied bewirkt (denn die Zahl der Wellenlängen, die in jedem Arm liegen, wären gleich).

      Tatsächlich ist die Situation aber veränderlich – jeder Lichtwellenberg läuft durch das Interferometer. Und je nachdem, wie lang der Arm, durch den er läuft, ist, ergibt sich daraus eine unterschiedliche Laufzeit. Wenn die Laufzeit durch das ganze Interferometer klein ist gegen die Periode der Welle, ist das der bei weitem dominante Effekt.

      Der zweite Effekt ist der, den der verlinkte Saulson Artikel (auf den Herr Senf hinwies) in den Vordergrund stellt: Komplett destruktive oder konstruktive Interferenz ist nur möglich, wenn die interferierenden Wellen die gleiche Wellenlänge haben – nur dann kann man sie fein säuberlich so aufreihen, dass jeweils Wellenberg auf Wellental fällt und umgekehrt (oder dass Wellenberg auf Wellenberg fällt, im anderen Falle). Auch da bringt die gravitationswellenbedingte Licht-Wellenlängen-Änderung einen messbaren Effekt. Selbst wenn alles andere gleich wäre: Allein der Umstand, dass sich am Ausgang des Detektors zwei Lichtkomponenten unterschiedlicher Wellenlänge überlagern, bewirkt einen im Prinzip messbaren Unterschied.

  2. Markus Pössel schrieb (3. Dezember 2015):
    > Gravitationswellen […] Der direkte Effekt dieser Wellen ist, dass sie die Abstände zwischen frei fallenden Testkörpern ändern.

    Wenigstens: charakteristisch ändern (wie in der Animation zumindest versucht anzudeuten);
    denn die Änderungen von „Abständen“ (d.h. konkret: der gegenseitigen Pingdauern) zwischen frei fallenden Beteiligten können natürlich auch verschiedenes Anderes charakterisieren: z.B. „schlichtes Driften“ oder den „Durchflug einer Masse“.

    > Das Grundprinzip des Nachweises ist einfach: Man nehme verschiedene Testmassen, lasse sie frei fallen und bestimme wieder und wieder ihre Abstände

    Nein, diese Darstellung macht es sich zu einfach. Stattdessen:
    Man nehme verschiedene Beteiligte und bestimme wieder und wieder ihre Abstände (Pingdauern; bzw zumindest deren Verhältnisse als reelle Messwerte) und ermittle daraus:

    1. ob sich die Krümmung der Region, in der die Beteiligten enthalten waren, so veränderte, wie es für eine sich darin fortpflanzende Gravitationswelle charakteristisch ist (oder in wie fern nicht); und

    2. ob sich die Beteiligten währenddessen gegenüber dieser Krümmung „frei fallend“ aufgehalten hatten (oder in wie fern nicht).

    • Quatsch mit Krümmung:
      Gravitationswellen sind eine “schwache” linearisierte Lösung in flacher Metrik.

      • Herr Senf schrieb (3. Dezember 2015 13:17):
        > Gravitationswellen sind eine “schwache” linearisierte Lösung in flacher Metrik.

        Schwach“ heißt hier dennoch mit Amplitude bzw. Intensität von Null verschieden;
        ansonsten würde man sagen: „überhaupt nicht vorhanden“.

        Und „linearisierte Lösung“ heißt ja sicherlich nicht, dass man „Krümmungsinvarianten“ im betreffenden Versuch, in der betreffenden experimentellen Region, nur bis einschl. der ersten Ordnung in einer solchen „linearisierten Lösung“ entwickeln und auswerten könnte.

        • Es gibt einen kleinen Unterschied im Verständnis:
          Briefträgersprache und “wissenschaftliche Verwendung” von Begriffen.

          • Herr Senf schrieb (4. Dezember 2015 0:33):
            > Es gibt einen kleinen Unterschied im Verständnis:
            Briefträgersprache und “wissenschaftliche Verwendung” von Begriffen.

            Das ist jedenfalls kein grundsätzliches Hindernis zum (gegenseitigen) Verständnis,
            denn bekanntermaßen

            [… laufen] all unsere zeiträumlichen Konstatierungen [und damit verbundenen ach-so-hochgestochen-wissenschaftlich verwendeten Begriffe …] stets auf die Bestimmung zeiträumlicher Koinzidenzen hinaus.

            Sie setzen also gerade nur das Verständnis voraus, das man gern auch jedem Briefträger zugesteht:
            begreifen, unterscheiden und sich merken zu können, mit welchen unterscheidbaren Briefkästen man sich
            schon getroffen hat (und welche man noch nicht getroffen hat aber ggf. noch erwartet zu treffen).

            Es gibt allerdings (wesentliche) Unterschiede in der Wertschätzung und Anwendung dieses (vermeintlich kleinen) Zugeständnisses.

  3. Die Messung der Abstände zwischen den beiden frei schwebenden LISA-Pathfinder-Testmassen sollte die langsame Annäherung der beiden Massen feststellen, denn sie ziehen sich ja gegenseitig an. Nichts anderes sollte im Idealfall gemessen werden. Diese Störungsfreiheit scheint mir fast die grössere Herausforderung zu sein als die angestrebte Messungenauigkeit von weniger als 6 Picometern (6/100 des Wasserstoffatomdurchmessers) pro Quadratwurzel der Gravitationsschwingung in Herz.
    Ich stelle mir vor, dass schon ein paar tausend Elektronen mehr auf dem einen der beiden Testmassen einen Einfluss hat der vergleichbar mit der Schwerkraft zwischen den beiden Testmassen ist. Allerdings sind systematische Störungen wohl weniger schlimm als die grundsätzliche Ungenauigkeit – das Rauschen also.

  4. Sie schreiben: “LISA Pathfinder hat zwar selbst keine Chance, Gravitationswellen nachzuweisen.”.

    Offiziell sind aber €440 Millionen für die “selbst keine Chance” abgegeben worden. Ist dies nicht ein krimineller Akt so viel Geld chancenlos zu verschwenden? Damit suggeriere ich, dass die Aussage aus diesem Beitrag: http://spacenews.com/how-inertia-saved-lisa-pathfinder-mission-to-prove-relativity/ mit eher Zufriedenheiten anvisiert, die generell die Berichterstattung prägen sollte über LISA Pathfinder.

    Dieser Artikel sollte Ihre Vorstellungen ein wenig bessern:
    http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-3341610/LISA-Pathfinder-launch-postponed-Technical-issue-delays-mission-detect-Einstein-s-gravitation-waves-space.html.
    Dies gibt einige Ideen, was eben der so große Fortschritt sein wird mit LISA Pathfinder allerdings in dem es die terrestrischen Experimente charakterisiert. Der wesentliche Fortschritt wird also sein nach Prof. Dr. Jetzer: “In space, we can rule out unwanted effects on the measurements, such as ground vibration,” Ziel der Mission ist “Testing technologies for detecting gravitational waves”.

    Dieser Artikel ist allerdings optimistischer: http://europe.newsweek.com/european-space-mission-could-solve-100-year-old-gravitational-wave-mystery-332536

    Dieser Nutzen ist auch nicht zu unterschätzen: If successful, the instrument would allow researchers to detect some of the 96 percent of matter in the universe scientists are not able to see now with current telescopes. (http://america.aljazeera.com/articles/2015/12/3/gravitational-wave-test-spacecraft-launched.html)

    • Naja, Moment mal: Das Ziel, bestimmte Schlüsseltechnologien (vor allem wohl auch die sehr feinen Antriebe für die winzigen Positionskorrekturen und dafür, Effekte wie den Strahlungsdruck der Sonne auszugleichen) zu testen, bevor man dann später den eigentlichen Weltraumdetektor LISA baut, ist vollkommen legitim. Dass LISA Pathfinder so angelegt ist, dass es selbst keine Gravitationswellen nachweisen kann, heißt doch nicht, dass die Mission keine Schlüsselrolle auf dem Weg zu LISA bzw. eLISA spielt!

      Aber LISA Pathfinder ist eine Technologie-Test-Mission, kein echter Gravitationswellendetektor. Die drei von Ihnen verlinkten Artikel bringen zum Teil LISA und LISA Pathfinder durcheinander; der Al-Jazeera-Artikel bekommt es ja noch nicht einmal hin, LISA und LISA Pathfinder vom Namen her auseinanderzuhalten. Das sind keine guten Quellen. Dann lieber mal die Seiten der ESA zur LISA Pathfinder-Mission anschauen – da steht gut beschrieben, was von LPF erwartet wird.

      Von den 96% der fehlenden Materie dürfte aber selbst eLISA nur einen geringen Teil nachweisen können. Die Dunkle Energie (rund 2/3) etwa dürfte sich schon aufgrund ihrer Homogenität nicht durch Gravitationswellen verraten.