Der Gravitation zuhören

Für Laien mutet die ganze Idee wie eine technologische «mission impossible» an: Drei Satelliten sollen fünf Millionen Kilometer voneinander entfernt Erschütterungen im Bereich von Pikometern (einem Billionstel Meter) messen. «Das ist so, als würde man von der Erde aus bei einer Person, die sich auf dem nächstgelegenen Stern befindet, die Dicke eines Haares messen», schreibt Alberto Gianolio, LISA-Projektmanager, auf der LISA-Website.

Unmöglich? «Mit Laser kann man Distanzen bis auf einen Hunderttausendstel einer Licht-Wellenlänge messen», erklärt Peter Bender lakonisch, «das reicht. Die Frage ist eher: Kommt bei einem fünf Millionen Kilometer langen Laserstrahl noch genügend Licht an, das gemessen werden kann?»

Auch diese Frage kann Bender mit «Ja» beantworten. Der Physiker an der University of Colorado in Boulder hat in den Siebziger- und Achtzigerjahren mit seinen Ideen den Grundstein für das Projekt LISA gelegt, das – so hofft eine ganze Generation nicht nur von Physikern – die Astrophysik und unser Wissen über die Entstehung des Universums grundlegend verändern wird.

Beweis der Relativitätstheorie

LISA ist eine völlig neue Art von Detektor, der es erstmals ermöglichen soll, Gravitationswellen zu messen. Diese hat Albert Einstein in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt, bisher konnten sie aber noch nie direkt nachgewiesen werden. Gravitationswellen sind Krümmungen und Stauchungen der Raumzeit. Sie entstehen, wenn extrem massereiche Objekte, wie Neutronensterne oder «Supermassive Schwarze Löcher», in geringem Abstand umeinander kreisen.

LISA soll solche Wellen, die auch beim Urknall entstanden sind, messen und damit gleichsam das Echo der Entstehung des Universums aufzeichnen. Kann LISA tatsächlich Gravitationswellen nachweisen, dann ist dies auch – über hundert Jahre nach ihrer Entstehung – ein Beweis für Einsteins Relativitätstheorie.

Jahr der Entscheidung

Bis es soweit ist, sind noch grosse technologische und wissenschaftliche Hürden zu überwinden. Die Schweiz ist mit der Universität Zürich, der ETH und weiteren Universitäten auf beiden Gebieten führend in LISA engagiert. So wurden unter der Leitung des ETH-Geophysikers Domenico Giardini in der RUAG Space, ehemals Oerlikon Contraves, zentrale Elemente der drei LISA-Satelliten entwickelt, die dereinst die allerfeinsten Distanzschwankungen zwischen zwei Massen aufzeichnen sollen.

Eine erste Generation der Detektoren wurde bereits hergestellt und soll 2012 in einer Testmission, dem so genannten «LISA Pathfinder», ins Weltall geschossen werden, wie Philippe Jetzer, Professor für Theoretische Physik an der Universität Zürich und Mitglied im 25-köpfigen Science-Team von LISA, erklärt. «Weil LISA durchwegs auf neuen Technologien beruht, müssen wir zunächst testen, ob diese überhaupt funktionieren», so Jetzer. «Sonst wäre das Risiko für die Mission nicht abzuschätzen.»

«LISA Pathfinder» ist dabei auf gutem Weg, sagt Jetzer; wichtige Komponenten sind bereits vorhanden und für den Test bereit. Vom Erfolg der Mission wird es abhängen, ob in gut zehn Jahren die eigentlichen LISA-Satelliten auf ihre Umlaufbahn 50 Millionen Kilometer von der Erde entfernt geschossen werden. Gegenwärtig stehen die Entscheidungen der am Projekt beteiligten amerikanischen und Europäischen Weltraumagenturen «NASA» und «ESA» über die Zukunft des Projekts noch aus. «2010 wird ein entscheidendes Jahr für LISA», erklärt Jetzer, der sich im Moment auf breiter Front für LISA stark macht.

Neuer Blick auf die Entstehung des Universums

LISA ist nicht nur technologisch ambitioniert, auch wissenschaftlich hält das Projekt grosse Herausforderungen bereit und verlangt gemeinsame Anstrengungen von Wissenschaftlern verschiedenster Disziplinen. «LISA ist sicherlich das physikalische Projekt, an dem am meisten Disziplinen interessiert sind», erklärt Lucio Mayer, SNF-Förderungsprofessor an der Universität Zürich und ein Spezialist für Schwarze Löcher.

LISA wird – um ein Bild aus der Musik zu verwenden – eine riesige «Kakaphonie» an Gravitationswellen aufnehmen. Für die Wissenschaftler geht es darum, aus den Wellenmustern die Trompeten- und die Geigenstimmen herauszufiltern und zu bestimmen, wie viele von den jeweiligen Instrumenten es gibt und welcher Art diese sind.

Schwarze Löcher als treibende Kräfte

Eine unüberhörbare Stimme in dieser Ur-Symphonie werden Systeme von zwei eng umeinander kreisenden Supermassiven Schwarzen Löchern spielen, denn diese sind die stärksten Quellen für Gravitationswellen im Universum. Der Workshop, zu dem Jetzer und Mayer diese Woche führende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der ganzen Welt nach Zürich eingeladen haben, wird sich deshalb hauptsächlich mit den neuesten Erkenntnissen zu den Supermassiven Schwarzen Löchern befassen.

Für LISA ist das Verständnis solcher Systeme eine wichtige theoretische Voraussetzung. Das Projekt hat denn auch in den vergangenen Jahren zu einem eigentlichen Boom in der Erforschung von Supermassiven Schwarzen Löchern beigetragen. «LISA eröffnet ganz neue Perspektiven», erklärt Mayer, «das ist eine ungeheure Motivation, speziell auch für jüngere Forschende.»  LISA wird es ermöglichen, theoretische Modelle über die Entstehung des Universums anhand bisher nicht verfügbarer Daten zu überprüfen. «Das wird ein neues Fenster für die Astrophysik aufstossen», ist Mayer überzeugt.

Und wenn LISA nichts findet? «Dann wird es erst recht interessant», meint Mayer: «Denn dann müssen wir unsere bisherigen theoretischen Modelle zur Entstehung des Universums grundlegend überdenken.»