Auf den Pikometer genau
Die ESA hat soeben Ergebnisse ihrer LISA Pathfinder-Mission präsentiert. Die Messinstrumente und die Steuerung, welche die Gruppe von ETH-Professor Domenico Giardini für LISA Pathfinder entwickelt hat, sind sogar präziser als erwartet. Die Technologie ist bereit für den Einsatz im Gravitationswellen-Observatorium LISA.
Im Dezember startete ein Rakete von Kourou, an Bord der Satellit LISA Pathfinder der European Space Agency ESA. Während 12 Monaten sollte LISA Pathfinder Messtechnologien prüfen, mit der Wissenschaftler künftig Gravitationswellen nachweisen wollen. Gemäss der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein sollten Gravitationswellen entstehen, wenn sich im Universum extrem energiereiche Ereignisse abspielen, wie etwa die Vereinigung von zwei Schwarzen Löchern.
Nach nur zwei Monaten konnte die ESA am 7.6.2016 in Madrid verkünden: Die Messtechnologie hat sich in Experimenten und Tests bewährt. Das LISA Pathfinder-Konsortium zeigt in der jüngsten Ausgabe des Fachjournals Physical Review Letters auf, dass sich die beiden Testmassen an Bord des Satelliten in Bezug aufeinander kaum bewegen: Sie beschleunigen sich gegenseitig lediglich um einen unvorstellbar kleinen Teil (10-15) der Erdbeschleunigung (g=9,8 m/sec2). Insbesondere ist das ausgeklügelte Messsystem in der Lage, die äusserst geringen Positionsabweichungen der Würfel zu bestimmen – auf einen Pikometer genau. Damit übertrifft das Messsystem die Anforderungen deutlich.
ETH-Professor Domenico Giardini und sein Team entwickelten die Messinstrumente für LISA Pathfinder und die Steuerungselektronik, welche den Satelliten auf einer ruhigen Bahn hält. Im Interview mit ETH-News erklärt der Seismologe, was die Resultate bedeuten, und wie Gravitationswellen im All künftig erforscht werden sollen.
ETH-News: Sind Sie zufrieden mit dem Ergebnis der LISA Pathfinder-Mission?
Domenico Giardini: Ja, ich bin sehr zufrieden. Das Mess- und Steuerungssystem, dass wir an der ETH Zürich entwickelt haben, ist äusserst präzise. Die beiden Massenwürfel bewegen sich relativ zueinander nur um einen Pikometer – 0,000000000001 Meter. Das ist unvorstellbar wenig! Ein Helium-Atom, das kleinste aller Atome, misst rund 32 Pikometer im Durchmesser. Auf der Erde mit normalen Instrumenten lassen sich solch winzige Positionsverschiebungen nicht mehr nachweisen. Deshalb mussten wir alle Geräte, von Grund auf neu entwickeln und im All testen.
Weshalb ist diese hohe Präzision erforderlich?
Die mit LISA Pathfinder geprüfte Technologie soll einer weitaus grösseren Mission dienen: «LISA: Laser Interferometer Space Antenna», ein Weltraum-Observatorium, mit dem die ESA Gravitationswellen messen will. Dazu wird die ESA voraussichtlich im Jahr 2034 drei Satelliten ins All bringen und in einem Dreieck anordnen. Diese werden Millionen von Kilometern von der Erde entfernt sein. Jeder einzelne trägt zwei solcher Massenkörper mit sich; Laserstrahlen von Satellit zu Satellit verbinden die Massen. Bei LISA Pathfinder betrug der Abstand zwischen den Massen ja nur 48 Zentimeter. Bei LISA werden es mindestens 1,5 Mio. Kilometer sein, möglicherweise auch bis zu 5 Mio. Kilometer. Das ist noch nicht festgelegt. Die Präzision, um Abweichungen zwischen den Massekörpern nachzuweisen, muss deshalb viel höher sein.
Letzten Herbst wiesen Physiker mit dem externe Seite LIGO-Experiment erstmals die Existenz von Gravitationswellen nach. Hat sich dies nicht eher negativ auf LISA ausgewirkt? Nein, auf keinen Fall. Der Nachweis der Gravitationswellen mit LIGO war für LISA positiv: Es geht jetzt alles viel schneller vorwärts.
Weshalb?
LIGO hat nur eine Episode von Sekundenbruchteilen nachgewiesen. Diese wurde produziert durch eine Kollision von zwei Schwarzen Löchern. Jedes davon hatte eine dreissig Mal grössere Masse als unsere Sonne und sie sind 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt. Die ESA ist deshalb noch stärker von der Notwendigkeit von LISA überzeugt. Denn nun wissen wir, dass Gravitationswellen existieren, und wir können die energiereichsten Ereignisse sehen. Vorher mussten wir Geldgeber, andere Wissenschaftler und Industriepartner erst überzeugen, dass Einstein recht hatte, dass es diese Forschung braucht, um seine Theorien zu beweisen. Es ist klar, dass diese Forschung viel kostet, aber dank den LIGO-Funden ist die Basis für LISA solider denn je.
Aber macht LIGO die LISA-Mission nicht ein Stück weit überflüssig?
Nein. LIGO wird weiterhin nach Gravitationswellen suchen; und die Infrastruktur wird weiterentwickelt. Man wird aber mit dieser Einrichtung nur sehr wenige Episoden pro Jahr aufspüren, weil der «Lärm» auf der Erde sehr hoch ist. Auch kann LIGO nur Wellenlängen von wenigen Kilometern messen, da diese der Grösse dieser Anlage entsprechen. Das im Rahmen von LISA geplante Messsystem im Weltall hingegen wird Millionen von Kilometern lang sein. Damit werden wir ganz andere Frequenzen von Gravitationswellen und zehntausende von Ereignissen jährlich festhalten. Den «Lärm», den wir sehen werden, ist nicht mehr derjenige der Erde, sondern die Signale der grössten Ereignisse des Universums!
Kann die Technologie von LISA Pathfinder auf die riesigen Dimensionen von LISA übertragen werden?
Das Prinzip des Experiments ist identisch. Der Grossteil der Instrumente wie die Massewürfel, deren Behälter, die Sensoren, die messen, wo die Masse ist, kann alles übernommen werden. Wir müssen allerdings die Präzision um das Zehnfache steigern. Auch das Lasersystem wird bei LISA anders sein; es braucht stärkere Laser, die die grosse Distanz von einem Satelliten zum nächsten überwinden.
Werden Sie auch an LISA beteiligt sein?
Meine Gruppe und diejenige von Professor Philippe Jetzer von der Universität Zürich werden sich weiterhin beteiligen. Unsere Gruppen arbeiten komplementär zueinander: Wir arbeiten an der Mess- und Steuerungselektronik, Jetzers Gruppe an den astrophysikalischen Grundlagen. Das erste Treffen bei der ESA hat bereits stattgefunden. Zurzeit sind wir daran, die Spezifikationen für diese Mission vorzubereiten. Wir erhoffen uns den Start von LISA in wenigen Jahren.
Zurück zu LISA Pathfinder. Was geschieht nun mit dem Satelliten?
Die ESA führt auf dieser Plattform weitere drei Monate lang Experimente durch. Diese dienen dazu, Effekte, welche die Präzision beeinflussen, besser zu verstehen. Danach wird der Satellit allmählich in Richtung Sonne fliegen. Sein Ende werden wir nicht mitbekommen.
Warum ist ein Seismologe in eine Weltraum-Mission zur Erforschung von Gravitationswellen involviert?
Der Kern des Experiments ist, die Position einer Masse innerhalb des Instruments hochpräzise messen zu können. Das entspricht dem Prinzip eines Seismometers! Und Gravitationswellen sind letztlich Wellen, und Seismologen sind darauf spezialisiert, Wellen zu messen.
Wenn Sie auf dieses Projekt zurückblicken: Ist es etwas vom Schwierigsten, Bedeutendsten, das Sie in ihrer Karriere gemacht haben?
Bezogen auf die Dauer und die technischen Schwierigkeit des Projekts lautet die Antwort: Ja. Vor 40 Jahren wurde die Idee für die Messung von Gravitationswellen im All geboren. Damals scheiterte sie an den technischen Möglichkeiten. Die ESA beschloss deshalb später, eine Testmission – LISA Pathfinder – durchzuführen. Nur schon dieses Vorhaben hat 15 Jahre meiner Laufbahn beansprucht. Nun kommen mit LISA weitere 15 Jahre auf mich zu. Das ist ein Lebensprojekt. Es kommt nicht oft vor, dass man an einem Projekt mitarbeiten kann, das 30 Jahre dauert. Es ist für mich deshalb eine grosse Ehre, Teil davon zu sein!
Zur Person
Domenico Giardini ist seit 1997 Professor für Seismologie und Geodynamik an der ETH Zürich. Er ist Co-PI der ESA Pathfinder-Mission, welche Technologien für die Messung der Gravitationswellen austestet, und der NASA InSight Mission, welche einen Seismometer auf dem Mars installieren wird.