Gravitationswellen

Startschuss für ein Jahrhundert-Experiment

Der Satellit LISA Pathfinder soll helfen, Gravitationswellen im Weltall aufzuspüren. Der Count-Down zum Start der Rakete läuft. UZH-Physiker Philippe Jetzer ist an vorderster Front an diesem internationalen Experiment beteiligt.

Stefan Stöcklin

«Wir können mit dieser Technologie bis zu den Rändern des Alls horchen»: Philippe Jetzer, Spezialist für die Relativitätstheorie Albert Einsteins. (Bild: Stefan Stöcklin)

Wenn Anfang Dezember eine Vega-Rakete in Französisch-Guyana abhebt, freut sich ein Mann ganz besonders: Philippe Jetzer, Professor für Physik an der Universität Zürich. «Auf diesen Moment fiebere ich seit  langem hin», sagt der grossgewachsene Fachmann für die Relativitätstheorie Albert Einsteins. Jetzer wird den Raketenstart sogar vom Weltraum-Standort bei Kourou direkt mitverfolgen, denn er markiert einen wichtigen Meilenstein seines Forscherlebens: Seit zwölf Jahren beschäftigt sich der Physiker mit dem Satelliten LISA Pathfinder, den die Rakete ins Weltall befördern wird. Klappt die Mission, werden in den kommenden Monaten Daten zur Erde gesandt, die zeigen, ob Konzept und Technik von LISA Pathfinder zum Nachweis von Gravitationswellen funktionieren. Sie sind das Vorspiel zum direkten Nachweis, der in einer späteren Mission namens eLISA stattfinden wird.

An der Grenze des Messmethoden

Jetzer ist Mitglied des Wissenschaftsteams von LISA Pathfinder und zusammen mit Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik an der ETH Zürich, prominenter Vertreter der Schweiz in dem internationalen Projekt, das unter der Leitung der europäischen Raumfahrtagentur ESA läuft. Mit der Satellitenmission prüfen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hochsensitive  Nachweisgeräte, die sie in den letzten Jahren zusammen mit den Technikern entwickelt und gebaut haben. Die Apparaturen müssen in der Lage sein, zwei kleine Testmassen frei im Raum zu halten und kleinste Abstandsveränderungen zu messen. Die geforderte Genauigkeit ist atemberaubend und liegt im Grössenbereich eines Bruchteils eines Atomkerns, das heisst im Pikobereich (10 hoch minus 12). Zum Vergleich: In einer Pikosekunde legt Licht, das in einer Sekunde die Strecke von der Erde bis zum Mond bewältigt, lediglich drei Haaresbreiten (ca. 300 µm) zurück.

Diese unglaubliche Empfindlichkeit ist nötig, um die von Albert Einstein postulierten Gravitationswellen messen zu können. Laut der Allgemeinen Relativitätstheorie ändern beschleunigte Massen ihr Gravitationsfeld und verursachen eine Störung, die sich wie Wellen durch den Raum bewegt – vergleichbar den Wellen nach einem Steinwurf in einen Teich. Die Gravitationswellen durchdringen zwar Weltraum und Erde, sie sind aber extrem schwach und konnten direkt noch nie registriert werden. Das Konzept zum Nachweis im All beruht darauf, dass der Abstand von zwei Massen beim Durchgang einer Gravitationswelle leicht verändert wird. Diese Distanzänderung um Bruchteile eines Pikometers registrieren Laserstrahlen, die zwischen den Massen gespiegelt werden. Fachleute sprechen von Laserinterferometrie, LISA steht für Laser Interferometer Space Antenna.

Signale aus den tiefsten Zonen des Alls

«Im All können wir unerwünschte Effekte auf die Messungen wie Bodenvibrationen ausschliessen», erläutert Philippe Jetzer. Dies ist ein Grund, wieso die Forschenden zum Nachweis von Gravitationswellen ins All ausweichen. Der wichtigere Grund liegt bei der höheren Empfindlichkeit: Im Endprojekt eLISA werden drei Satelliten zusammengeschaltet, was die Beobachtung von zwei Testmassen erlauben wird, die gut eine Million Kilometer voneinander entfernt sind, das ist rund das 25fache des Erdumfangs. Ein derart langes und sensitives Interferometer kann erdgebunden nicht gebaut werden.  

Entsprechend wird es im All möglich sein, Gravitationswellen mit tiefer Frequenz (0,0001 – 0,1 Hertz) aus weit entfernten Regionen des Alls nachzuweisen. «Wir können mit dieser Technologie bis zu den Rändern des Alls horchen», sagt Philippe Jetzer. Das erhöht die Erfolgsaussichten, denn nur extreme kosmische Objekte hinterlassen messbare Spuren. Nachweisbare Gravitationswellen entstehen etwa bei der Bildung oder Verschmelzung schwarzer Löcher, die sich im Zentrum von Galaxien – wie in unserer Milchstrasse - befinden. Zudem erhoffen sich die Wissenschaftler neue Einsichten in die Bildung des Universums. «Gravitationswellen sind wie Boten bisher verborgener Bereiche des Alls», sagt Jetzer.

Würfel aus Gold und Platin

Bis es soweit ist, wird es noch etwas dauern, eLISA ist auf  2034 geplant. Zunächst muss nun LISA Pathfinder nach dem Abschuss seinen Zielort im All rund 1.5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt erreichen, dann folgen zwei dreimonatige Messkampagnen. Die Physiker haben sich dazu Experimente mit zwei kleinen Würfeln aus einer Gold-Platin-Legierung ausgedacht, die störungsfrei in einer hantelähnlichen Kammer 38 Zentimeter voneinander entfernt schweben. Trotz der kleinen Kantenlänge von weniger als fünf Zentimetern wiegen sie auf der Erde fast zwei Kilogramm. Zwischen den beiden frei schwebenden Würfeln rast ein Laserstrahl hin- und her und misst relative Distanzänderungen. «Dann werden wir sehen, ob die Systeme wie geplant funktionieren und den Anforderungen genügen», sagt Philippe Jetzer.

Lisa Pathfinder im Weltraum. Der Satellit wird in einer Distanz von 1.5 Mio Kilometern von der Erde entfernt aktiv werden. (Ilustration: ESA)

Im Prinzip zweifelt niemand an der Existenz von Gravitationswellen, denn indirekt wurden sie bereits nachgewiesen. In den 1970er Jahren beobachteten die beiden Astrophysiker Joseph Taylor und Russel Hulse zwei umeinander rotierende Neutronensterne (Pulsare). Ihre Messungen zeigten, dass die Annäherung der Pulsare exakt dem Energieverlust des Systems entsprach, der durch die Emission von Gravitationswellen zu erwarten war. Sie erhielten dafür 1993 den Nobelpreis für Physik. Seither bemüht sich die Forschung um einen direkten Nachweis. An verschiedenen Orten haben die Physiker teils gigantische Interferometer mit mehreren Kilometern Länge gebaut, die Längenveränderungen durch Gravitationswellen messen können. Unter anderem das Observatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitatonal Wave Observatory) in den USA oder VIRGO  in Italien. Die verschiedenen Teams der Projekte kooperieren auf wissenschaftlicher Ebene, obwohl sie unterschiedliche Quellen von Gravitationsquellen im Visier haben, betont der UZH-Physiker.

Symposium auf dem Campus Irchel

Was den Nachweis im All betrifft, so hofft Philippe Jetzer auf eine erfolgreiche Mission von LISA Pathfinder. Der Start am 3. Dezember ist ein gutes Omen, denn genau 100 Jahre sind dann vergangen, seit Albert Einstein über die Allgemeine Relativitätstheorie publiziert hat. Im September 2016 findet auf dem Campus Irchel der UZH ein Symposium statt, wo eine erste Bilanz über LISA Pathfinder gezogen werden wird.

Stefan Stöcklin, Redaktor UZH News und UZH Journal

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