LISA-Raumfahrzeug schließt bahnbrechenden Gravitationswellen-Beobachtungstest ab

Die LISA Pathfinder-Mission könnte uns dabei helfen, Meteoriten, Asteroiden, Satelliten und die verschiedenen anderen Geschosse, die mit unvorstellbaren Geschwindigkeiten im Weltraum zirkulieren, besser zu verstehen, aber sie hat ein vorrangiges Ziel: das Potenzial zur Beobachtung und Untersuchung von Gravitationswellen im Weltraum zu überprüfen. Mehr als 900.000 Meilen von der Erde entfernt, kam der Prototyp eines Raumschiffes diesem Ziel einen großen Schritt näher. In einem neuen Papier veröffentlicht in Physische Übersichtsbriefe Das LISA-Team zeigt auf, dass die Freifalltests von LPF ein bahnbrechender Erfolg waren, der die ursprünglichen Erwartungen übertraf und mit einer Präzision handelte, die mehr als fünfmal besser ist als ursprünglich erforderlich.

Als die Europäische Weltraumorganisation im vergangenen Dezember schließlich die hochmoderne Raumsonde startete, wussten wir von Gravitationswellen so gut wie nichts - abgesehen von einer wirklich guten Vermutung, dass diese von Albert Einstein zuerst vermuteten Wellen in der Raumzeit zumindest existierten. Dann eigentlich Wissenschaftler gefunden Gravitationswellen - Verwenden Sie hier ein Paar ultraempfindlicher Instrumente auf der Erdoberfläche, um die sehr schwachen Gravitationswellensignale zu erfassen, die von einem Paar massiver schwarzer Löcher erzeugt wurden, die ineinander kollidieren.

Die Entdeckung von LIGO war ein Segen für das LISA-Projekt, da festgestellt wurde, dass Gravitationswellen tatsächlich beobachtbar sind. Natürlich war die Entdeckung von LIGO so etwas wie ein "richtiger Ort zur richtigen Zeit". Um die Gravitationswellen wirklich zu studieren und uns einen Einblick in das Universum außerhalb des elektromagnetischen Spektrums zu geben, müssen wir diese Art von Signalen bei niedrigen Frequenzen beobachten können - vielleicht bis zu 0,1 Hz. Das bedeutet, dass Sie ein System benötigen, das winzige Flimmern in der Raumzeit über Entfernungen von bis zu einer Million Meilen beobachtet, ohne durch seismische, thermische oder terrestrische Aktivitäten gestört zu werden. Das wird auf der Erde nicht passieren.

Einstein sagte das Vorhandensein von Gravitationswellen voraus, als er seine Relativitätstheorie entwickelte. "Ein Jahrhundert später bereiten wir hier den Weg für das erste große Gravitationswellenobservatorium im Weltraum", sagte Fabio Favata, Chef des Koordinationsbüros der ESA-Direktion für Wissenschaft, gegenüber den Reportern auf einer Pressekonferenz am Dienstag. Da Gravitationswellen sich ungehindert durch das Universum bewegen, geben sie Wissenschaftlern eine kosmologische Sicht auf die Welt, die transparent ist. Favata verglich Gravitationswellen mit den Geräuschen des Waldes, die Anhaltspunkte dafür liefern, was sich zwischen den dichten Baumwäldern befindet - gehört, aber nicht gesehen. Die Instrumente, mit denen Gravitationswellen gesucht werden, sind die Mikrofone, mit deren Hilfe wir diese Klänge hören können.

Was können Gravitationswellen helfen, uns über das Universum zu zeigen? Obwohl es Hoffnung gibt, dass diese Signale uns helfen können, Sternpopulationen in galaktischen Regionen besser zu charakterisieren, besteht der große Vorteil darin, schwarze Löcher besser zu verstehen. Alles, was sich in seiner Nähe befindet, einschließlich der leichten Löcher, ist ein extrem mysteriöses Phänomen, über das Astrophysiker wenig wissen. Gravitationswellen könnten schließlich die Informationen liefern, die wir benötigen, um einen vollständigeren Überblick darüber zu erhalten, wie ein schwarzes Loch aussieht, wie es sich verhält, wie es sich entwickelt, usw.

Deshalb sind die neuesten Ergebnisse für die LISA Pathfinder-Mission so wichtig. In einem idealen Szenario würden Wissenschaftler Gravitationswellen im Weltraum erkennen, indem sie zwei oder mehr Objekte in den Weltraum schleudern und sie durch Hunderttausende oder sogar Millionen Kilometer voneinander getrennt halten und einen Laser zwischen diesen Objekten abfeuern, der sehr schwache Signale aufnimmt wie Gravitationswellen.

Ein Projekt wie dieses würde enorm viel Zeit und Ressourcen erfordern. Sie müssen das Konzept zuerst beweisen, bevor Sie mit dem Experiment beginnen können. ESA-Wissenschaftler haben dieses Konzept im Grunde in ein einziges Raumfahrzeug geschrumpft - LISA Pathfinder. Innerhalb des Raumfahrzeugs befinden sich zwei zwei Kilogramm schwere Gold-Platin-Massen, die im Februar in eine Vakuumkammer befördert wurden, wobei der erste Tag des Einsatzes am 1. März begann. Die Objekte sind viel zu nahe beieinander, als dass eine Gravitationswelle gemessen werden könnte Aber in der LISA Pathfinder-Umgebung können Wissenschaftler feststellen, ob es für diese Objekte möglich ist, einen perfekten freien Fall zu erreichen, bei dem ihre Bewegung nur durch die Schwerkraft gesteuert wird. Ein Observatorium in großem Maßstab würde dieselbe Art der Validierung erfordern - dass äußere Kräfte keinen übermäßigen Einfluss der Schwerkraft auf die Objekte ausüben würden.

LISA Pathfinder hat die relative Beschleunigung zwischen den beiden Objekten mit einem Laserinterferometer gemessen, das Änderungen auf einer Skala von weniger als zehn Millionstel Milliardstel der Erdbeschleunigung erkennen konnte - dies entspricht dem Gewicht eines Virus auf der Erde. Das ist noch verrückter: Das von der Raumsonde gemessene störende „Geräusch“ war 100 Mal niedriger als das, was die ESA-Wissenschaftler erwartet hatten. Die Messung des wahren freien Falles ist ein wichtiger Meilenstein für die Untersuchung von Gravitationswellen im Weltraum im großen Maßstab. Das LISA-Projekt befindet sich nun auf einem kürzeren Weg in Richtung des Endziels, ein Gravitationswellen-Observatorium zu bauen und zu starten.

Die ESA hat ein Startjahr für 2034 für ein großes Gravitationswellenobservatorium vorgeschlagen. Laser würden Fluktuationen in Objekten messen, die um Millionen von Kilometern in drei dreieckig angeordneten Raumsonden getrennt sind.