Die Jagd nach Gravitationswellen ist in vollem Gang und Gerhard Heinzel und seine Kollegen vom Institut für Atom- und Molekülphysik der Universität Hannover wollen dabei sein. Gut möglich, dass den Physikern mit dem Gerät, das sie entwickeln, eine Schlüsselrolle beim Nachweis der rätselhaften Raumzeit-Schwingungen zufällt. Denn Lisa, das wird der größte Detektor, der je gebaut wurde.
"LISA ist die Laser Interferometric Space Antenna. Das ist ein Gravitationswellen-Detektor im Weltraum. Der besteht aus drei Satelliten in einem Abstand von fünf Millionen Kilometern – ein gleichseitiges Dreieck – zwischen denen Laserstrahlen hin und her geschickt werden. Und die Laserstrahlen messen winzige Abstandsänderungen im Pikometerbereich zwischen den Satelliten. Gravitationswellen machen sich als kleine Änderungen dieser Abstände bemerkbar."
Eine typische Gravitationswelle sollte die Messstrecke um Bruchteile eines Atomdurchmessers verkürzen. Mit Hilfe von Laser-Interferometern, den Präzisions-Linealen der modernen Physik, wollen die Forscher solche aberwitzig kleinen Längenänderungen messen. Das Prinzip ist simpel: zwei Laserstrahlen werden in verschiedene Richtungen auf die Reise geschickt, in großer Entfernung von Spiegeln reflektiert und anschließend überlagert. An dem resultierenden Interferenzmuster lassen sich feinste Stauchungen der Messstrecken ablesen - und zwar umso genauer, je länger diese Messstrecken sind. Und das ist der Trumpf von Lisa: der größte Gravitationswellen-Detektor auf der Erde hat eine Armlänge von vier Kilometern, Lisa dagegen fünf Millionen Kilometer. Der Riesen-Detektor besteht aus drei baugleichen Satelliten, die an überdimensionale Pucks erinnern.
"Ein Satellit ist eine runde flache Scheibe. Etwa drei Meter Durchmesser, ungefähr 40 Zentimeter dick und auf der Oberseite vollständig bedeckt mit Solarzellen. Am Rand der Scheibe ist ein 40 Zentimeter großes Teleskop, wo der Laserstrahl rausgeschickt wird und auch der Laserstrahl von dem anderen Satelliten empfangen wird. In einem Winkel von 60 Grad dazu, auch am Rand der Scheibe, ist das zweite Teleskop, was den anderen Arm bedient. Insgesamt ist es also ein geschlossenes Dreieck."
Zur Erprobung des ambitionierten technologischen Konzepts wollen Nasa und Esa 2008 als Vorläufer eine Testplattform ins All schießen. LISA-Pathfinder heißt sie und ihr Herzstück steht derzeit in einem Vakuumtank im Labor der Hannoveraner Physiker: Eine Platte aus Spezialglas - 20 mal 20 Zentimeter groß -, auf der ein Infrarot-Laser und rund 20 fingernagelgroße Spiegel montiert sind. Mit dieser interferometrischen Präzisionsoptik können die Forscher den Abstand zweier Spiegel auf Bruchteile eines Atomdurchmessers genau messen. Damit der empfindliche Detektor im All tatsächlich nur auf Gravitationswellen anspricht, muss aber verhindert werden, dass störende Einflüsse wie Sonnenwind und Magnetfelder die Spiegel hin- und her schubsen.
"Diese Störungen wären größer, als die kleinen Änderungen, die wir messen wollen. Das heißt, man legt in den Bauch des Satelliten eine Testmasse, das ist ein kleiner Würfel aus einer speziellen Metalllegierung, und der Satellit schirmt diese Testmasse ab. Und dann gibt es Abstandssensoren rund um diese Testmasse herum. Wenn jetzt zum Beispiel der Sonnenwind an dem Satellit schiebt, dann misst der Abstandssensor den Ansatz der Bewegung und steuert Steuerdüsen am Rand des Satelliten an, die den Satelliten wieder zurückschieben. Der Effekt ist, dass die Testmasse und damit der Satellit nur der Gravitation folgt. Und nur so können wir diese Gravitationswellen messen."
Wenn die drei überdimensionalen Pucks 2012 ins All starten, dürfte es vor allem ein Jahr später noch einmal spannend werden. Sobald die Lisa-Satelliten ihre jeweilige Position erreicht und ihre Antriebsmodule abgesprengt haben, müssen sie sich gegenseitig finden, um die Laserverbindungen herzustellen. Bei fünf Millionen Kilometer Entfernung keine leicht Aufgabe, denn die fernen Satelliten sind dann nur noch schwache Lichtpunkte unter Milliarden anderen. Sofern die heikle Prozedur gelingt, könnte der Mega-Detektor Astronomen ein ganz neues Fenster ins All öffnen. Denn selbst wenn der erste Nachweis einer Gravitationswelle einem irdischen Interferometer gelingen sollte: Die genaue Untersuchung der kosmischen Quellen von Gravitationswellen, die wird erst Lisa möglich machen.
"LISA ist die Laser Interferometric Space Antenna. Das ist ein Gravitationswellen-Detektor im Weltraum. Der besteht aus drei Satelliten in einem Abstand von fünf Millionen Kilometern – ein gleichseitiges Dreieck – zwischen denen Laserstrahlen hin und her geschickt werden. Und die Laserstrahlen messen winzige Abstandsänderungen im Pikometerbereich zwischen den Satelliten. Gravitationswellen machen sich als kleine Änderungen dieser Abstände bemerkbar."
Eine typische Gravitationswelle sollte die Messstrecke um Bruchteile eines Atomdurchmessers verkürzen. Mit Hilfe von Laser-Interferometern, den Präzisions-Linealen der modernen Physik, wollen die Forscher solche aberwitzig kleinen Längenänderungen messen. Das Prinzip ist simpel: zwei Laserstrahlen werden in verschiedene Richtungen auf die Reise geschickt, in großer Entfernung von Spiegeln reflektiert und anschließend überlagert. An dem resultierenden Interferenzmuster lassen sich feinste Stauchungen der Messstrecken ablesen - und zwar umso genauer, je länger diese Messstrecken sind. Und das ist der Trumpf von Lisa: der größte Gravitationswellen-Detektor auf der Erde hat eine Armlänge von vier Kilometern, Lisa dagegen fünf Millionen Kilometer. Der Riesen-Detektor besteht aus drei baugleichen Satelliten, die an überdimensionale Pucks erinnern.
"Ein Satellit ist eine runde flache Scheibe. Etwa drei Meter Durchmesser, ungefähr 40 Zentimeter dick und auf der Oberseite vollständig bedeckt mit Solarzellen. Am Rand der Scheibe ist ein 40 Zentimeter großes Teleskop, wo der Laserstrahl rausgeschickt wird und auch der Laserstrahl von dem anderen Satelliten empfangen wird. In einem Winkel von 60 Grad dazu, auch am Rand der Scheibe, ist das zweite Teleskop, was den anderen Arm bedient. Insgesamt ist es also ein geschlossenes Dreieck."
Zur Erprobung des ambitionierten technologischen Konzepts wollen Nasa und Esa 2008 als Vorläufer eine Testplattform ins All schießen. LISA-Pathfinder heißt sie und ihr Herzstück steht derzeit in einem Vakuumtank im Labor der Hannoveraner Physiker: Eine Platte aus Spezialglas - 20 mal 20 Zentimeter groß -, auf der ein Infrarot-Laser und rund 20 fingernagelgroße Spiegel montiert sind. Mit dieser interferometrischen Präzisionsoptik können die Forscher den Abstand zweier Spiegel auf Bruchteile eines Atomdurchmessers genau messen. Damit der empfindliche Detektor im All tatsächlich nur auf Gravitationswellen anspricht, muss aber verhindert werden, dass störende Einflüsse wie Sonnenwind und Magnetfelder die Spiegel hin- und her schubsen.
"Diese Störungen wären größer, als die kleinen Änderungen, die wir messen wollen. Das heißt, man legt in den Bauch des Satelliten eine Testmasse, das ist ein kleiner Würfel aus einer speziellen Metalllegierung, und der Satellit schirmt diese Testmasse ab. Und dann gibt es Abstandssensoren rund um diese Testmasse herum. Wenn jetzt zum Beispiel der Sonnenwind an dem Satellit schiebt, dann misst der Abstandssensor den Ansatz der Bewegung und steuert Steuerdüsen am Rand des Satelliten an, die den Satelliten wieder zurückschieben. Der Effekt ist, dass die Testmasse und damit der Satellit nur der Gravitation folgt. Und nur so können wir diese Gravitationswellen messen."
Wenn die drei überdimensionalen Pucks 2012 ins All starten, dürfte es vor allem ein Jahr später noch einmal spannend werden. Sobald die Lisa-Satelliten ihre jeweilige Position erreicht und ihre Antriebsmodule abgesprengt haben, müssen sie sich gegenseitig finden, um die Laserverbindungen herzustellen. Bei fünf Millionen Kilometer Entfernung keine leicht Aufgabe, denn die fernen Satelliten sind dann nur noch schwache Lichtpunkte unter Milliarden anderen. Sofern die heikle Prozedur gelingt, könnte der Mega-Detektor Astronomen ein ganz neues Fenster ins All öffnen. Denn selbst wenn der erste Nachweis einer Gravitationswelle einem irdischen Interferometer gelingen sollte: Die genaue Untersuchung der kosmischen Quellen von Gravitationswellen, die wird erst Lisa möglich machen.