Gravitationswellen sind Vibrationen der Raumzeit, die durch bestimmte Phänomene entstehen, bei denen extreme Massen im Spiel sind. Die Aussendung von Gravitationswellen, die intensiv genug sind, um nachgewiesen zu werden, erfordert die gravitative Wechselwirkung extrem dichter Objekte wie Schwarze Löcher, Neutronensterne, Weiße Zwerge und sogar exotischere Objekte, die im frühen Universum vorhanden waren.
Die drei Raumfahrzeuge der LISA-Mission bilden ein Dreieck im Orbit, mit Seiten von 5 Millionen Kilometern und positioniert hinter der Erde auf ihrer Umlaufbahn. Sie folgen ähnlichen Umlaufbahnen wie die Erde, wodurch Längenänderungen der Seiten des Dreiecks minimiert werden.
Dank einer Konstellation von drei Satelliten, die ein gleichseitiges Dreieck mit 2,5 Millionen Kilometern Seitenlänge (das 6-fache der Entfernung Erde-Mond) in einer Umlaufbahn um die Sonne bilden, wird LISA die winzigen Verzerrungen der Raumzeit erfassen, die beim Durchgang dieser Wellen entstehen.
Seit 2015 werden Verschmelzungen von stellaren Schwarzen Löchern und Neutronensternen regelmäßig von den bodengestützten Instrumenten LIGO und Virgo beobachtet, und seit 2023 scheint ein Gravitationswellensignal bei sehr niedriger Frequenz (im Nanohertz-Bereich, also eine Schwingung pro Milliardensekunde, wobei ein Hertz einer Frequenz von einer Schwingung pro Sekunde entspricht) dank der Chronometrie eines Pulsarnetzwerks nachgewiesen zu werden.
LISA wird im Millihertz-Bereich beobachten, in dem viele Quellen wie die Verschmelzungen von Binärsystemen supermassereicher Schwarzer Löcher mit Massen von etwa einer Million Sonnenmassen, Binärsysteme mit extremem Massenverhältnis (zum Beispiel ein kleines Schwarzes Loch, das ein supermassereiches Schwarzes Loch umkreist), Binärsysteme aus Neutronensternen und möglicherweise die "Brodel" des frühen Universums emittieren. LISA wird diese Quellen mit einem solchen Detailgrad beobachten, dass es nicht nur möglich sein wird, Astrophysik zu betreiben, sondern auch Grundlagenphysik und Kosmologie.
LISA: eine Konstellation aus drei Satelliten, die ein gleichseitiges Dreieck mit 2,5 Millionen Kilometern Seitenlänge (das 6-fache der Entfernung Erde-Mond) in einer Umlaufbahn um die Sonne bilden.
Hochtechnologie
Um die winzigen Verformungen des von den Satelliten gebildeten Dreiecks beim Durchgang von Gravitationswellen zu detektieren, tauschen die Satelliten Laserstrahlen aus und verwenden Interferometrie, um die Entfernungsänderungen zwischen ihnen mit einer Präzision in der Größenordnung von einigen Dutzend Pikometern (100-mal kleiner als die Größe eines Atoms) zu messen.
Das ist eine enorme Herausforderung, denn um Gravitationswellen zu detektieren, dürfen die Satelliten nur auf die Schwerkraft reagieren. Dazu schützt jeder Satellit Referenzmassen, kleine Würfel aus Gold-Platin mit 4 cm Kantenlänge ohne jeglichen mechanischen Kontakt, die sich somit "im freien Fall" befinden. Der Satellit misst durch Interferometrie und kapazitive Kopplung seine Position relativ zu den enthaltenen Würfeln und positioniert sich mit Hilfe eines Systems von Mikrotriebwerken neu, wodurch jede nicht-gravitative Störung (Mikrometeoriten, Sonnenteilchen usw.) ausgeglichen wird.
Industriepartnerschaften und Zeitplan der Mission
Das interferometrische System und das System zur Nachjustierung an den Referenzmassen bilden das Herzstück des wissenschaftlichen Instruments. Es wird unter Koordination der ESA von den europäischen Staaten mit einem Beitrag der NASA entwickelt. Die Realisierung des restlichen Satelliten (Struktur, Solarpaneele, Antriebe, Bordcomputer usw.) wird OHB System in Partnerschaft mit Thales anvertraut.
Die Unterzeichnung dieses Vertrags schließt die Phase der Einrichtung der Organisation ab und markiert den Beginn des Baus von LISA. Der Start der drei Satelliten ist für 2035 mit einer Ariane-6.4-Rakete geplant. Es folgt eine 18-monatige Transferphase, um die endgültigen Umlaufbahnen zu erreichen und die wissenschaftlichen Operationen zu beginnen, die mindestens 4 Jahre dauern werden.
Prototyp des Referenzmassensimulators, der am CEA-Irfu für Tests und Leistungsmessungen des interferometrischen Optikaufbaus von LISA entwickelt wurde.