Mit der Raumsonde LISA-Pathfinder betreibt die ESA das erste Laser-Interferometer im Weltall. Künftige Gravitationswellen-Observatorien werden davon profitieren. Nach einer Phase letzter Checks startete Anfang 2016 die wissenschaftliche Mission des Observatoriums. Bei der am 3. Dezember 2015 gestarteten Sonde geht es darum, Schlüsseltechnologien für den Nachweis von Gravitationswellen im Weltall zu erproben. Erst kürzlich gelang in den USA ein solcher Nachweis mit bodengestützten Detektoren, eine faszinierende Chance auf ganz neue Einsichten in unseren Kosmos. Deshalb wollen Astrophysiker Gravitationswellen-Observatorien künftig auch im Weltall stationieren. LISA Pathfinder ebnet dafür den Weg.
Herzstück des Technologietests im All sind zwei identische, 46 Millimeter große Würfel aus einer Gold-Platin-Legierung im Innern der Sonde. Sie wurden nun von ihren Haltemechanismen freigegeben und schweben seitdem frei innerhalb ihres Käfigs. Ein Lasersystem vermisst den Abstand beider Massen mit extremer Genauigkeit. Es wurde von Forschern aus Hannover entwickelt und soll den perfekten freien Fall der 38 Zentimeter voneinander entfernten Testwürfel vermessen. Zwischen ihnen befindet sich ein Laserinterferometer, das die Positionen und Ausrichtung beider Massen sowohl bezüglich des Satelliten und als auch zueinander mit unerreichter Präzision bestimmt; die Abweichungen betragen lediglich den hundert- millionsten Teil eines Millimeters. Dieses optische Präzisionsmesssystem wurde von Forschern des MPI für Gravitationsphysik und der Universität Hannover entwickelt und gebaut.
Die schwebenden Testmassen werden zunächst über elektromagnetische Stellkräfte im LTP-Experiment (LISA Technology Package) und über europäische Mikrotriebwerke der Sonde im Freiflug kontrolliert. Dabei geht es um sehr kleine Kräfte im Bereich von Billionstel bis Millionstel Newton.
In einer zweiten Missionsphase kommt der NASABeitrag zur Mission zum Einsatz. Dann findet die Kontrolle der Sonde mittels spezieller Elektrospray- Düsen, sogenannter colloid thrusters des amerikanischen Disturbance Reduction Systems, statt. Mit den beiden technischen Varianten wollen die Forscher die verbleibenden kleinen Störkräfte, zum Beispiel seitens des Strahlungsdrucks der Sonne, neutralisieren. Nur wenn die Kompensation solcher Störungen ausreichend gelingt, kann in künftigen Gravitationswellen-Observatorien die enorme Messgenauigkeit erreicht werden, wie sie für das Aufspüren von Gravitationswellen nötig ist. Doch was muss man sich unter den geheimnisvollen Wellen überhaupt vorstellen? Diese manchmal als „Kräuselungen der Raumzeit“ titulierten Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Objekte, die von Gravitationswellen getroffen werden, erfahren kurzzeitige Dehnungen und Stauchungen, weil der Raum, den diese Objekte einnehmen, gedehnt und gestaucht wird, doch dieser Effekt ist nur winzig. Selbst die Explosion eines Sterns in einer Nachbargalaxie bewirkt nur äußerst geringe Variationen. So ändert sich beispielsweise die Distanz Erde-Sonne nur um 0,0000001 Millimeter, und das lediglich für wenige Millisekunden. In den internationalen Medien wurde berichtet, dass im September 2015 in den US-Bundesstaaten Louisiana und Washington erstmals Gravitationswellen direkt gemessen werden konnten. Zuvor war die Empfindlichkeit der dortigen Detektoren mit Hilfe des deutschen Experiments GEO600 verbessert worden. Die Jagd nach den Wellen hatte Jahrzehnte gedauert; ihre Vorhersage durch Albert Einstein datiert noch weiter zurück: Sie stammt aus dem Jahr1916. Fundamentale Fragen können mit Hilfe von Gravitationswellen beantwortet werden: Was geschah bei der Geburt des Universums, dem Urknall? Wie sehen Neutronensterne von innen aus? Was passiert beim Crash zweier Schwarzer Löcher? LISA Pathfinders Experimente sind ein wichtiger Schritt, um darauf Antworten zu bekommen.

Die Raumsonde LISA Pathfinder ist ein Versuchsträger für die Erprobung neuer Technologien zum Nachweis von Gravitationswellen. Foto: ESA