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Dr. Benjamin Knispel
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Astro2010 decadal survey

LISA-Gravitationswellenmission wird nachdrücklich von US-Forschungsbehörde unterstützt

Freitag der 13. bringt LISA Glück

13. August 2010

HANNOVER/Deutschland & PASADENA, Calif. – Das amerikanische National Research Council (NRC) hat die Laser Interferometer Space Antenna LISA nachdrücklich als eine der zwei nächsten wichtigen Weltraum-Missionen der NASA empfohlen. Die Mission soll gemeinsam mit der Europäischen Weltraumbehörde ESA im Jahr 2016 begonnen werden. LISA wird Gravitationswellen messen und damit das Universum auf eine neue Art und Weise beobachten, wie es mit keiner anderen Technologie möglich ist. Die Empfehlung wurde am Freitag, den 13. August 2010, im Keck Center of the National Academies in Washington, D.C. bekanntgegeben.

In der jetzt abgeschlossenen Zehn-Jahres-Studie “ASTRO2010” bewertet eine Expertenkommission sämtliche für die nächsten zehn Jahre vorgesehenen Forschungsaktivitäten in der Astronomie und Astrophysik sowie deren Bedeutung als Schnittstelle mit der Physik. Für LISA spricht die Studie eine nachdrückliche Empfehlung aus. Insbesondere geht die Expertenkommission davon aus, dass man mit der Beobachtung von Gravitationswellen im Weltraum Schlüsselfragen zur Astrophysik in der Frühzeit und der Physik des gesamten Universums beantworten können wird.

„Wir freuen uns sehr, das der NRC LISAs revolutionäre Forschungsmöglichkeiten in der Astrophysik und fundamentalen Physik bestätigt hat “, so Tom Prince, Physikprofessor am California Institute of Technology (CalTech), Leitender Wissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA und Vorsitzender des LISA International Science Teams von amerikanischer Seite. An LISA arbeiten Wissenschaftler aus Europa und den USA eng zusammen - als Mitglieder des LISA Science Teams (LIST) oder der LISA International Science Community (LISC). „Wir sind sehr zuversichtlich, mit der Beobachtung von tausenden von Gravitationswellen-Quellen schon bald ein neues Fenster ins Universum öffnen zu können,“ so Tom Prince weiter.

„Diese Empfehlung und unser ausgezeichneter Ruf in der wissenschaftlichen Gemeinschaft spornen uns weiter an,“ kommentiert Karsten Danzmann die Ergebnisse des Reports. Karsten Danzmann ist der europäische Vorsitzende des LISA International Science Team, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und Leiter des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Mit LISA werden wir das Universum auf eine komplett neue Art und Weise beobachten können. Wir gehen davon aus, dass die Gravitationswellenastronomie ein immenses Potential hat, unser Wissen über die Physik und Astronomie des Universums auf eine noch unvorstellbare Art zu erweitern,“ so Danzmann weiter.

„In der Vergangenheit war es oft schwierig, „klassische“ Astronomen von der Bedeutung der Gravitationswellenastronomie zu überzeugen,“ so Marcie Rieke, Professorin für Astronomie an der University of Arizona und stellvertretende Vorsitzende der Astro2010 Program- Subkomittees. „Die gute Wertung für LISA zeigt, dass Astronomen nun erkennen, welche Chancen die neuartige Beobachtung des Universums mittels Gravitationswellen bietet.“

„Die wissenschaftlichen Argumente für LISA sind in den letzten 10 Jahren immer stärker geworden. Das gleiche gilt für die experimentelle Seite. Die damals ungewöhnlichen Messkonzepte sind heute zuverlässige und bewährte Technologien,“ sagt LISA Science Team-Mitglied Scott Hughes, Associate Professor of Physics am Massachussets Institute of Technology (MIT).

„In den 13 Jahren, die ich nun an LISA mitarbeite, haben sich sowohl die Technologien als auch die wissenschaftlichen Grundlagen der Mission weit über meine kühnsten Träume hinaus entwickelt,“ so Sterl Phinney, Professor für theoretische Astrophysik am CalTech, gegenwärtiger Ko-Vorsitzender der Arbeitsgruppe für Quellen und Datenanalyse im LISA Science Team und Kopf des ursprünglichen LISA-Missionsdefinition-Teams. „Ich freue mich jetzt schon auf die exakten Messungen von denen wir erfahren werden, ob die riesigen Schwarzen Löcher in galaktischen Zentren wirklich den Regeln der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie folgen und ob, falls überhaupt, irgendwelche der Ideen zu ihrer Entstehung stimmen.“

„Diese starke Unterstützung von Amerikas führenden Astronomen macht es offiziell: LISA hat das Potential, eines der wichtigsten astronomischen Observatorien unserer Zeit zu werden,“ sagt Bernard F. Schutz, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) und Ko-Vorsitzender der Arbeitsgruppe für Quellen und Datenanalyse im LISA Science Team.

„Als LISA 1995 von der ESA angenommen wurde, geschah dies vor allem, weil man von der Gravitationswellenastronomie wichtige Einblicke in die Grundlagen der Gravitation, Einsteins Relativitätstheorie und alle ihre Vorhersagen erwartete,“ fügt Schutz hinzu. „In den letzten 15 Jahren haben Astronomen außerdem erkannt, dass LISA dazu beitragen wird, die noch über der Frühzeit des Universums liegenden Schleier zu lüften. Denn LISA wird Gravitationswellen der allerersten Sterne, der frühesten Schwarzen Löcher und einiger der ältesten heute noch existierenden Sterne lauschen. Mit LISA kann man sogar die mysteriöse Dunkle Energie erforschen, denn wir werden beobachten können, wie sich die Gravitationswellen früher Schwarzen Löchern ausdehnen und sich durch das expandierende Universum auf uns zu bewegen!“ so Schutz weiter.

LISA wurde entwickelt, um die erdgebundenen Gravitationswellen-Observatorien (das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory LIGO in den USA, das italienisch- französische Virgo-Projekt und das deutsch-britische GEO600 Observatorium in Ruthe bei Hannover) zu ergänzen, die schon heute aktiv nach Gravitationswellen suchen. Gravitationswellen sind Kräuselungen in der Struktur der Raum-Zeit, die durch die kraftvollsten kosmischen Ereignisse verursachht werden. Sie entstehen beispielsweise, wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen und tragen Informationen über ihre Entstehung der Schwarzen Löcher sowie die Natur der Schwerkraft mit sich. Konventionellen astronomischen Beobachtungsmethoden sind diese Informationen nicht zugänglich. Die Existenz der Gravitationswellen wurde von Albert Einstein in seiner 1916 veröffentlichten Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt.

Das Weltraum-Observatorium LISA wird aus einer Dreiecks-Formation von drei Satelliten bestehen, die durch fünf Millionen km (die 12,5-fache Erde-Mond-Entfernung) lange Laserarme miteinander verbunden sind und im Erdorbit die Sonne umkreisen. Gravitationswellen aus Quellen im gesamten Universum verursachen leichte Schwingungen in der Raum-Zeit, die wiederum kleinste Änderungen in LISAs Armlängen verursachen. Diese Längenänderungen betragen nur etwa 10 picometer und sind damit kleiner als der Durchmesser des kleinsten Atoms. LISAs Laser werden diese Bewegungen einfangen und damit Gravitationswellen messen, indem sie jede Lageänderung der frei im Inneren der Satelliten schwebenden Gold- Platin-Testmassen ermitteln.

LISA wird Gravitationswellen in einem niedrigeren Frequenzbereich (0.1 milliHertz bis 1 Hertz) als die erdgebundenen Detektoren messen, die in Frequenzen über 10 Hz arbeiten.

Weil Gravitationswellen sich bewegende Kräuselungen in der Krümmung des Raumes sind und LISA diese Kräuselung zeitgleich von zehntausenden Quellen aus allen Richtungen beobachten wird, kann man das Instrument gut mit einem Mikrofon vergleichen. Es „hört“ den Schall während Teleskope oder Kameras Bilder aufzeichnen. Mit dieser neue Methode können die Bewegungen unsichtbarer Massen direkt beobachtet werden – eine wichtige Ergänzung traditioneller astronomischer Methoden, die nur sichtbare Atome darstellen kann.

In den USA wird das LISA-Projekt vom NASA Goddard Space Flight Center geleitet. Das vom CalTech für die NASA geführte JPL ist in erheblichem Umfang an der Mission beteiligt.

Mit der LISA PathfinderMission unter Federführung der ESA wird die LISA-Hardware schon 2013 einem ersten Weltraumtest unterzogen. Im Zuge der LISA Pathfinder-Mission werden die LISA-Schlüsseltechnologien gründlich getestet – beispielsweise die sogenannte „drag-free operation“, in der die Satelliten die Testmassen vor allen äußeren Einflüssen schützen. Dabei messen sie die Bewegungen der Testmassen exakt ein und manövrieren unentwegt um sie herum, um so den freien Fall der Gold-Platin-Würfel aufrechtzuerhalten. „LISA Pathfinder ist auf einem guten Weg, die meiste Flug-Hardware ist schon ausgeliefert. Bis zum Ende 2013 wird LISA Pathfinder demonstrieren, dass die für den LISA-Einsatz notwendige hochpräzise Messtechnik den Anforderungen genügt und raumtauglich ist,“ sagt Stefano Vitale, Professor der Physik am der Universität von Trento und Leitender Wissenschaftler der Pathfinder-Mission.

Hintergrundinformationen

Die Rolle des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI)

Die AEI-Direktoren Prof. Dr. Karsten Danzmann and Prof. Bernard F. Schutz gehörten zu den Leitern des ursprünglichen LISA Antrags an die ESA im Jahr 1993. Inzwischen ist das AEI zu einem Zentrum für die Entwicklung von LISA in Europa geworden. Karsten Danzmann ist heute der von ESA und NASA berufene europäischen Vorsitzende des LISA International Science Team (LIST), Bernard F. Schutz ist der europäische Vorsitzende der LIST Quellen- und Data Analyse-Arbeitsgruppe.

Die Wissenschaftler des AEI sind an allen Aspekten der Entwicklung von LISA beteiligt. Ihre Forschungsarbeiten reichen von der Entwicklung der Gesamtmission über die Technologieentwicklung bis hin zu theoretischen Studien der Gravitationswellenquellen und neue Methoden der Datenanalyse. Derzeit wird in den Laboratorien des AEI LISAs Interferometrie anhand von Prototypen auf mögliche Störquellen hin untersucht. Insbesondere geht es um Technologien zur Unterdrückung des Rauschens (noise suppression techniques) wie die zeitverzögerte Interferometrie (time delay interferometry). Ebenso wird der Datenaustausch zwischen den Satelliten – er erfolgt über die Laserarme der LISA-Interferometer - (inter-spacecraft data transfer) erforscht. Darüber hinaus entwickeln die AEI-Forscher fortschrittliche intelligente Programme zur Datenanalyse. Diese sind in der Lage, sich überlagernde Signale im gewaltigen LISA-Datenstrom zu identifizieren und aus der Datenmenge herauszulösen. Andere Theoretiker lösen Einsteins Gleichungen, um daraus Signalmodelle abzuleiten, die mit einer Genauigkeit von einigen Millionstel Prozent den realen Signalen entsprechen.

Gemeinsam mit der Universität von Trento trägt das AEI die wissenschaftliche Verantwortung für die LISA Pathfinder (LPF) Mission der ESA. Mit ihr wird die LISA- Technologie ab 2013 unter Weltraumbedingungen getestet. Karsten Danzmann ist einer der beiden wissenschaftlichen Leiter der Mission. Die LISA-Pathfinder Mission wurde ursprünglich unter der Federführung des AEI beantragt. Das Konzept der Mission sowie die Einzelheiten des optischen Systems – Herz der Messtechnik – wurden größtenteils am AEI entwickelt. Derzeit besteht eine enge Zusammenarbeit zwischen den AEI-Wissenschaftlern und Industriepartnern, denn die LPF Flug-Hardware wird, unter anderem in den Laboren und Reinräumen des AEI, auf Herz und Nieren getestet. Insbesondere geht es um die Interferometrie-Nutzlast, also die von den AEI-Wissenschaftlern entwickelte Messtechnik, die als Flughardware von Industriepartnern gebaut wurde.

 
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