Detektor im Weltall

“LISA Pathfinder” soll Gravitationswellen messen

Künstlerische Darstellung: "LISA Pathfinder" im All

(Bild: ESA/C. Carreau)

Bei kosmischen Katastrophen wie der Kollision von Schwarzen Löchern geraten Raum und Zeit ins Schwanken. Dabei verursachte Änderungen des Gravitationsfelds jagen als Welle in der Raumzeit durch das All. Direkt beobachtet wurden diese von Albert Einstein vorausgesagten Gravitationswellen noch nie. Am 2. Dezember startet mit dem Satelliten "LISA Pathfinder" ein erster Test für ihren Nachweis im All.

Die Existenz von Gravitationswellen wurde 1916 von Albert Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) vorhergesagt. Demnach müsste sich jede Veränderung in der Struktur der Raumzeit als Welle ausbreiten (siehe Bild) - ähnlich wie die konzentrischen Wellenkreise auf einem See, wenn ein Stein ins Wasser fällt.

Quellen, die stark genug sind, um die Raumzeit zu verändern und noch auf der Erde nachgewiesen werden können, sind etwa Sternexplosionen, sogenannte Supernovae. Aber auch massereiche Himmelskörper wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne, die sich in geringem Abstand umkreisen bzw. irgendwann kollidieren, sollten dabei Gravitationswellen abstrahlen.

So sollten Gravitationswellen aussehen, wenn wir sie sehen könnten

(Bild: NASA/C. Henze)

Bislang nur indirekte Hinweise auf Gravitationswellen
Auch wenn niemand an ihrer Existenz zweifelt, gibt es bis dato nur indirekte Hinweise darauf: So entdeckten 1974 die beiden US-Astrophysiker Russel Hulse und Joseph Taylor zwei Sterne, die sich in geringem Abstand umkreisen. Einsteins Relativitätstheorie zufolge sollten sie dabei Gravitationswellen abstrahlen. Tatsächlich zeigten die Forscher, dass die Sterne bei ihrem Tanz Energie verlieren - und zwar genau die Menge, die von der ART für die Abstrahlung von Gravitationswellen vorhergesagt wurde. Für diesen indirekten Nachweis der Gravitationswellen erhielten Hulse und Taylor 1993 den Physiknobelpreis.

Der direkte Nachweis der Wellen ist aber deutlich schwieriger. Trifft eine Gravitationswelle auf die Erde, sollte sie den gesamten Raum periodisch zusammendrücken bzw. strecken - allerdings nur im Ausmaß von Bruchteilen eines Atomkerns. Um diesen winzigen Effekt nachzuweisen, wurden riesige Detektoren gebaut, die mit Hilfe von Laserstrahlen den Abstand zwischen kilometerweit voneinander entfernten Spiegeln vermessen. Trotz laufender Fortschritte konnte das Phänomen bisher nicht gemessen werden.

Weitere ESA-Mission für 2034 geplant
Verbesserungen erwartet man sich von satellitengestützten Detektoren. Denn dabei können störende Einflüsse wie Vibrationen und thermisches Rauschen vermieden werden. Die Europäischen Raumfahrtagentur ESA bereitet dafür mit "eLISA" (evolved Laser Interferometer Space Antenna) ein Projekt vor, das auf einem ähnlichen Prinzip wie die Detektoren auf der Erde basiert, allerdings mit einem wesentlich größeren Abstand zwischen den Spiegeln.

Ab 2034 sollen mit Laserstrahlen die Abstände von verspiegelten Testmassen in einer Entfernung von etwa einer Million Kilometer mit einer Genauigkeit in der Größenordnung eines Atomdurchmessers bestimmt werden - genug um den Effekt einer durchlaufenden Gravitationswelle zu messen.