Den Geheimnissen der Gravitation auf der Spur

LISA sucht das All nach Gravitationswellen ab
LISA sucht das All nach Gravitationswellen ab
30 September 2002

Möglicherweise steht in der Physik bald ein epochaler Durchbruch bevor. Die Europäische Weltraumagentur ESA bereitet derzeit eine Reihe einzigartiger interplanetarer Missionen und Experimente vor, um ungelöste Rätsel der Schwerkraft zu ergründen. Die Ergebnisse könnten dazu führen, die bisherigen Vorstellungen von der Gravitation über Bord zu werfen.

Rätselhafte Kräfte

Gravitation ist eine der vier fundamentalen Kräfte der Natur. Sie formt unser Universum und macht die Entstehung von Planeten, Sternen und Galaxien erst möglich. Je intensiver sich die Wissenschaft aber mit dem Phänomen Gravitation und dem Einfluss der Schwerkraft auf die Himmelskörper beschäftigt, desto mehr Fragen tun sich auf. Ein Beispiel ist die so genannte Pioneer-Anomalie: Bei der Beobachtung der 1972 und 1973 gestarteten NASA-Sonden Pioneer 10 und 11, die unser Sonnensystem längst verlassen haben, stellte man fest, dass deren Fluggeschwindigkeit nicht den Erwartungen entspricht. Offenbar verlangsamt eine noch unerklärliche Kraft die Sonden. Derselbe Effekt zeigt sich inzwischen auch bei der Jupitersonde Galileo und der europäisch-amerikanischen Sonnensonde Ulysses.

Gravitation im Überfluss

Nur Materie kann Gravitation, also Schwerkraft, erzeugen. Aber schon seit Langem ist bekannt, dass im Universum mehr Gravitationskraft wirkt, als anhand der offensichtlich vorhandenen Masse zu erwarten wäre. Anders gesagt, um die zu beobachtenden Gravitationskräfte zu erklären, müsste im Universum weit mehr Materie vorhanden sein, als bislang beobachtet wurde. Die Wissenschaft geht daher davon aus, dass die Tiefen des Alls große Mengen noch unentdeckter Materie bergen, die so genannte dunkle Materie.

Anderen Theorien zufolge wirken Gravitationskräfte über gewaltige Entfernungen hinweg stärker als bislang angenommen. Träfe dies zu, so wäre das Konzept der dunklen Materie verzichtbar. Möglicherweise sind die beobachteten Anomalien aber auch auf eine fünfte, noch unbekannte Naturkraft zurückzuführen, eine sehr schwache Kraft, die sich nur in den entferntesten Regionen des Alls bemerkbar macht.

Ein idealer Ort zur Überprüfung solcher Theorien ist der Weltraum. In der Schwerelosigkeit des Alls kann das Wirken selbst allerfeinster Kräfte festgestellt werden. Außerdem sind dort extrem präzise Messungen möglich.

Einstein auf dem Prüfstand

Raumkrümmung durch die Planeten des Sonnensystems
Raumkrümmung durch die Planeten des Sonnensystems

Die ESA arbeitet derzeit an einer Reihe höchst ehrgeiziger Weltraumexperimente und -missionen, mit denen Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie überprüft werden soll. Einstein hat mit dieser Theorie das Phänomen Gravitation bislang am umfassendsten und elegantesten erklärt. Unter anderem sagt die Einsteinsche Theorie eine Erscheinung voraus, die bislang jedoch noch nie beobachtet wurde: Leichte Raumbeben durch so genannte Gravitationswellen. Erzeugt von beschleunigten kosmischen Massen – beispielsweise umeinander kreisenden Neutronensternen oder schwarzen Löchern – breiten sich diese kleinen Stauchungen und Dehnungen des Raumes mit Lichtgeschwindigkeit im Weltraum aus wie konzentrische Wellen auf einem See. Dieser Erscheinung wollen ESA und NASA mit dem Sondentrio LISA auf den Grund gehen, das 2011 starten und das All auf das Vorhandensein von Gravitationswellen überprüfen soll. Werden solche Wellen registriert, so wäre dies ein schlagender Beweis für die Richtigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Durch weitere Missionen will die ESA äußerst präzise ermitteln, wie die Materie den Raum krümmt. Mit Gaia, einer Mission zur Kartografierung von Sternen, und der Merkurmission BepiColombo soll feststellt werden, ob die Raumkrümmung anders verläuft als es die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt. Und Microscope, eine Mission, die die ESA in Zusammenarbeit mit der französischen Weltraumagentur CNES vorbereitet, soll das von Einstein postulierte Äquivalenzprinzip überprüfen. Das Prinzip besagt, dass alle Objekte in einem Gravitationsfeld in gleicher Weise beschleunigt werden, unabhängig von ihrer jeweiligen Masse und chemischen Zusammensetzung. Sollte Microscope auf Erscheinungen stoßen, die diesem Prinzip zuwiderlaufen, so könnte dies auf eine neue Dimension der Gravitation hindeuten, die Quantengravitation.

Die Welt der Quanten

Weltweit arbeiten Wissenschaftler fieberhaft an einer schlüssigen Theorie der Quantengravitation. Ziel ist die Vereinheitlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, die alle fundamentalen Naturkräfte mit Ausnahme der Gravitation beschreibt. Das Konzept der Quantengravitation geht davon aus, dass der Raum nicht glatt, sondern aus winzigsten Punktpartikeln „gekörnt“ aufgebaut ist. Fast wie ein Strand, der ja aus der Ferne betrachtet auch wie eine glatte Fläche erscheint, tatsächlich aber aus Myriaden einzelner Sandkörnchen besteht. Sowohl dieser „Punktstruktur“ des Raumes als auch weiteren Gravitationserscheinungen soll die ESA-Raumsonden-Mission HYPER auf die Spur kommen. Zudem hat die Europäische Raumfahrtagentur begonnen, eine weitere Mission zu konzipieren, die die Pioneer-Anomalie direkt untersuchen soll.

Mit diesem breit angelegten Spektrum von Missionen wird die ESA das Wesen der Gravitation in noch nie da gewesenem Umfang ausloten. Es ist gut möglich, dass sich dabei bahnbrechende Erkenntnisse ergeben, die unsere Vorstellung vom Universum völlig auf den Kopf zu stellen.

Information zu den einzelnen Missionen

Der Sternenbeobachter Gaia (künstlerische Darstellung)
Der Sternenbeobachter Gaia (künstlerische Darstellung)

LISA
LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ist ein satellitengestütztes Laserinterferometer im All zur Detektion und Beobachtung von Gravitationswellen, das die ESA in Zusammenarbeit mit der NASA entwickelt. Der Detektor besteht aus drei Raumsonden, die in einer Dreiecks-Konstellation jeweils fünf Millionen Kilometer voneinander entfernt um die Sonne kreisen. Die kosmischen Antennen sollen Erschütterungen des Raums feststellen, wie sie beispielsweise von superschweren schwarzen Löchern ausgehen. Diese als Gravitationswellen bezeichneten Erschütterungen hat Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt. Sie wurden bislang jedoch nicht nachgewiesen. Mit LISA wird zum ersten Mal versucht, diese Wellen direkt im Weltraum zu messen. Der Start der LISA-Mission ist für 2011 vorgesehen.

Gaia
Ziel der Gaia-Mission, die spätestens 2012 ins All starten soll, ist die Beobachtung und Kartografierung von über einer Milliarde Sternen in unserer Galaxis. Die Sonde soll über fünf Jahre hinweg jeden beobachteten Stern etwa 100 Mal erfassen und dessen Bewegung und Helligkeitsveränderung genau aufzeichnen. Voraussichtlich wird Gaia zudem Hunderttausende neuer Himmelskörper entdecken, beispielsweise extrasolare Planeten und so genannte Braune Zwerge, die ein "Mittelding" zwischen Planet und Stern darstellen. Und in unserem Sonnensystem wird mit der Entdeckung Zehntausender noch unbekannter Asteroiden gerechnet. Im Zuge der Erkundung der Himmelskörper wird Gaia auch exakt ermitteln können, wie die Materie den Raum krümmt und so das Licht der Sterne ablenkt. Gaia soll nach Abweichungen von der Raumkrümmung suchen, die nach der Allgemeinen Relativitätstheorie zu erwarten wären.

Microscope
Die Mission Microscope (MICROsatellite à Traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence) soll das Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie überprüfen. Das Prinzip besagt, dass alle Objekte, wenn sie einem Schwerefeld ausgesetzt sind, derselben Beschleunigung unterliegen, unabhängig von ihrer jeweiligen Masse und Zusammensetzung. Microscope soll feststellen, ob dieses Prinzip zutrifft und universelle Gültigkeit besitzt. Sollten die Messergebnisse im Widerspruch zu diesem Prinzip stehen, so könnte dies auf das Wirken einer neuen, noch unbekannten Naturkraft oder Erscheinung hindeuten und damit unser Wissen über das Wesen der Gravitation und der Naturgesetze erweitern. Der Start von Microscope ist für das Jahr 2005 angesetzt.

BepiColombo im Anflug auf den Merkur
BepiColombo im Anflug auf Merkur

BepiColombo
Die Merkurmission BepiColombo wird aus zwei Orbitern und einem Lander bestehen, die den sonnennächsten Planeten unseres Systems zum ersten Mal wirklich umfassend erkunden sollen. Die Technologien für die Mission, deren Start für 2011 vorgesehen ist, werden derzeit entwickelt.
Unter anderem soll BepiColombo exakt ermitteln, wie die Materie den Raum krümmt und nach Abweichungen von dem suchen, was die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt. Mit BepiColombo, Mars Express und Venus Express ist die ESA weltweit die einzige Weltraumagentur, die derzeit Missionen zu allen Planeten des inneren Sonnensystems plant.

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