REISEBERICHT

LISA UND JAMES

Blicke in die Vergangenheit und in die Zukunft

 

von Claudio Henry

 

Auf lange Sicht: Der Titel dieser LGazette-Ausgabe beinhaltet – auch wenn dies auf den ersten Blick allenfalls nicht ersichtlich ist – grundlegende Konzepte der Astrophysik. Um Astrophysik betreiben zu können, muss man die Objekte sehen, die man untersuchen möchte. Der Begriff «Sehen» ist hier aber eigentlich zu wenig präzis. Besser wäre der Ausdruck «Messen». Man kann in der Astrophysik zum Glück weitaus mehr beobachten als das für das menschliche Auge sichtbare Licht. Nebst den sichtbaren Lichtwellen gibt es beispielsweise Radio-, Infrarot- oder Gammawellen. Dies sind alles nur Ausprägungen desselben Phänomens, nämlich der elektromagnetischen Wellen. Da unsere Augen nur die Fähigkeit besitzen, einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums zu sehen, müssen wir den Rest mit speziellen Apparaturen messen. Seit wenigen Jahren gelingt es uns, zusätzlich zu den elektromagnetischen Wellen auch die von Einstein vorhergesagten Gravitationswellen zu messen. Damit eröffnet sich eine weitere, teilweise unsichtbare Welt.

Um beispielsweise mehr über den Urknall zu entdecken, muss man zusätzlich in der Lage sein, in die Vergangenheit zu schauen. Doch wie soll das gehen? Das ist ja alles schon lange geschehen, sagt man. Interessanterweise sind beide Auffassungen von «lange» – also Distanz und Zeitdauer – über die Lichtgeschwindigkeit eng miteinander verknüpft. Da Licht eine konstante Geschwindigkeit besitzt, benötigt es immer eine gewisse Zeit, um von einem Ort zum anderen zu gelangen. Im Alltag merken wir das nicht, da die Distanzen hier zu klein sind. Betrachten wir aber einen Stern, so braucht das Licht (etwa das unserer Sonne) mehrere Minuten bis Milliarden von Jahren, um vom Stern bis zur Erde zu gelangen. Wir sehen den Stern also so, wie er war, als er das Licht entsandte und nicht so, wie er jetzt ist. Je weiter wir also in die Ferne blicken, desto weiter in die Vergangenheit können wir schauen – mithin eine «lange Sicht».

Schülerinnen und Schüler des Präferenzfachs Physik sowie ein Schüler der Klasse 4d haben sich mit der Thematik auseinandergesetzt und die folgenden Beiträge verfasst. 

 

Claudio Henry unterrichtet am LG Physik.

 

 

 

JAMES WEBB

Das wichtigste «Ding» im All

 

von Jay Haller, Anna Huber, Paula Schulz und Luca Wacker

 

Mit zwei Tagen Verspätung startete am 25. Dezember 2021 das James Webb-Teleskop. Sie haben noch nie davon gehört? Vor vier Wochen hätten wir genau gleich reagiert. Fragt man jedoch Astrophysikerinnen oder Raketenexperten, ist es momentan das Thema, um das sich die Welt dreht. Das James Webb-Teleskop ist wohl das modernste und wichtigste «Ding» im All. Während dieser Artikel gedruckt und gelesen wird, fliegt das Teleskop mit Sonnenschirm mit über 850 km/h durch das All. Sein Ziel: Der Lagrange-Punkt 2. Es handelt sich hierbei um eine optimale Position für das Teleskop, weil es von dort aus immer den gleichen Abstand zur Erde hat, ohne Energie für den Antrieb zu benötigen. Das Teleskop braucht für eine Sonnenumrundung deswegen dieselbe Zeit wie die Erde.

Warum das so ist und wie man den Lagrange Punkt 2 berechnet zeigen wir euch hier:

Wer sich – wie wir – genauer mit der Astronomie auseinandersetzt, kommt um die weltverändernde Technologie des James Webb-Teleskops nicht herum. Während unserer Recherche sprachen wir unter anderem mit Herrn Prof. Dr. Prasenjit Saha, Astrophysiker an der Universität Zürich. Er konnte uns einen wunderbaren Einblick in die Welt des James Webb-Teleskops geben. Was ihn vor allem interessiert, sind neue Aspekte, die das James Webb-Teleskop in der Gravitations-Lehre und zur Dunkle Materie hervorbringen wird.  

 

James Webb und die dunkle Materie  

Das Universums besteht mehrheitlich aus unsichtbarer, dunkler Materie und uns ist es nur möglich, sie durch ihre Gravitationseffekte zu detektieren. Galaxien drehen sich mit einer solch hohen Geschwindigkeit, dass die Gravitation ihrer beobachtbaren Masse sie nicht zusammenhalten könnte. Sie sollte auseinanderreissen. Daraus schliesst man, dass etwas, das wir nicht sehen können, ihr Verhalten beeinflusst.
Dunkle Materie interagiert nicht mit der elektromagnetischen Kraft. Das heisst, sie absorbiert kein Licht, reflektiert es nicht und strahlt auch kein Licht aus. Es gibt ungefähr sechsmal so viel dunkle Materie wie bekannte Materie. Nur 5 % des Universums besteht aus Materie, die wir kennen! Dunkle Materie wird unter anderem erforscht, um ein besseres Wissen über die Komposition unseres Universums und den Zusammenhalt der Galaxien zu erlangen. Mit dem James Webb-Teleskop und der Analyse von Gravitationslinsen soll dies möglich sein.
Wenn Licht durch ein Gravitationsfeld strahlt, werden die Lichtteilchen (Photonen) von ihren Bahnen abgelenkt. Dies führt dazu, dass ein neues sichtbares Bild entsteht. Wenn sich eine Galaxie hinter einer anderen versteckt, kann man sie durch diese Reflexion des Lichts sehen. Mit der Analyse dieser Bilder, kann man die Gravitationsfelder der versteckten Galaxien rekonstruieren. Mithilfe der Gravitationsfelder kann man ausrechnen, aus wie viel Masse die Galaxie ungefähr bestehen muss. Daraus kann man berechnen, wie viel dunkle Materie dort ist.

 

Das Sonnenschild und die Optik  

Eigentlich sollte das James Webb-Teleskop bereits 2007 starten, doch auf Grund von unzähligen, unüberwindbaren Hindernissen hat die Ariane-V-Trägerrakete die Erde erst im Dezember 2021 verlassen. An Bord: ein Sonnenschild und ein Teleskop, ein Kommunikationssystem und mehrere Instrumente. Das Sonnenschild ist circa 21x14 m gross und besteht aus fünf Schichten verschiedener Folien, welche Strahlung und Hitze vom Teleskop und seiner Instrumente bewahren können.  
Das James Webb-Teleskop ist ein Korsch-Teleskop: In diesen Teleskopen werden mehr Spiegel als in einem klassische Hobby-Sterngucker-Teleskop eingebaut. Um genau zu sein, befinden sich in einem Korsch-Teleskop drei Primär-Spiegel und bis zu zwei additionale Hilfsspiegel. Das wohl auffälligste am James Webb-Teleskop ist der goldene, ausserordentlich grosse Spiegel, auch Primär-Spiegel genannt. Sein Durchmesser beträgt 6.5 m und besteht aus 18 kleineren, sechseckigen Segmenten mit jeweils einem Innenkreis von 1.3 m. Da ein solch enormer Spiegel schlecht in eine Ariane-V-Rakete passte, musste er so konstruiert werden, dass sich das Material erst im All entfaltet. Zur Erleichterung aller beteiligten Personen ging dieser Prozess reibungslos vonstatten. Dieser Spiegel ist so konstruiert, dass er sogar kleinere Meteoriteneinschläge aushalten kann.

Wen dieses Thema besonders interessiert, oder wer gerne noch mehr über die Funktionsweise des Korsch-Teleskops erfahren möchte, findet auf https://youtu.be/qqEoVVPqXdA oder https://youtu.be/hT4_jYOL8sI weitere Informationen. 


 
Ausblicke in die Zukunft

Doch was genau macht das James Webb-Teleskop im All? Und wie kann es der Menschheit helfen, das Universum und die eigene Existenz besser zu verstehen?

Astronom:innen der ganzen Welt versprechen sich viel vom James Webb-Teleskop. Beispielsweise mit Hilfe der sehr hohen Empfindlichkeit des Infrarotsensors des Teleskops erhofft man sich eine Zeitreise zu bislang unentdeckten Welten. Genauer gesagt, handelt es sich um 13.5 Milliarden Jahre, welche mit dem Teleskop erstmals sichtbar und erforschbar gemacht werden sollen. Es wird möglich sein, einige der ersten Galaxien zu erforschen, welche nur kurz nach dem Urknall entstanden sind.  Prof. Dr. Prasejit Saha erhofft sich von den Bildern entscheidend Erkenntnisse, um den Gravitations-Linseneffekt weiter zu erforschen. Diese Gravitationslinien sind wiederum essenziell für das Verständnis der Welt der dunklen Materie.  

Es dauerte mehr als 30 Jahre, um dieses Teleskop herzustellen, und kostete die NASA und die ISA circa 10 Milliarden US-Dollar. Der Druck, dass dieses Teleskop die erhofften Erwartungen erfüllt, wurde durch die investierten Kosten noch gesteigert. Das Teleskop ist eines der teuersten Forschungsinvestitionen in der Geschichte der Raumfahrt. In Fall, dass die erhofften Bilder des Teleskops aus irgendeinem Grund nicht so erscheinen sollten, wie geplant, würde das für die ganze Weltraumforschung verheerende Folgen haben. Das Hubble-Teleskop, der Vorgänger vom JWST, könnte im Notfall von Astronaut:innen gewartet oder repariert werden. Doch das JWST befindet sich so weit von der Erde entfernt, dass es unmöglich ist, einen Menschen sicher dorthin zu schicken und wieder zurückzuholen. 

 

Jay Haller, Anna Huber,  Paula Schulz und Luca Wacker besuchen das Präferenzfach Physik.

 

 

L.I.S.A.

Von Tilla Gürtler, Sora Ritzmann und Lucy Strobel

 

Gibt es schwarze Löcher? Können wir in die Vergangenheit schauen? Hat Albert Einstein recht gehabt?

Mit LISA, einem riesigen Interferometer im All, kann man Gravitationswellen detektieren. Physikalische Wellen, die zum Beispiel durch das Verschmelzen zweier schwarzer Löcher oder zweier Sterne ausgesendet wurden. Milliarden von Kilometern entfernt. Millionen von Lichtjahren. Dinge, die wir bis jetzt weder von Auge noch mit einem Teleskop sehen konnten. Wir entdecken mit LISA noch mehr vom unbekannten All, bekommen sozusagen eine Brille, mit der wir im Dunkeln sehen.

 

Was ist LISA überhaupt?

LISA steht für Laser Interferometer Space Antenna. Der Name sagt schon alles: Es ist ein Laserinterferometer im Weltall. Interferometer sind Gravitationswellendetektoren, die mithilfe von Interferenzen in einem Laserdreieck kleinste Distanzänderungen messen.   

Bereits vor mehr als 20 Jahren haben Wissenschaftler:innen erste Ideen für das Projekt LISA entwickelt. Doch 2002/2003 musste ESA, die Europäische Weltraumorganisation, feststellen, dass dieser Satellit weitaus komplexer war als andere Satelliten. Für LISA braucht es neue Technologien, die man zunächst einmal noch testen musste. Wegen dieses Problems entwickelte Prof. Jetzer mit einem Kollegen von der ETH den sogenannten LISA-Pathfinder, einen rein technologischen Satelliten. An diesem Punkt beteiligte Jetzer die Schweiz am Projekt LISA.

Nach langer und gründlicher Vorbereitung kam nun die Zeit, einen Testsatelliten ins Weltall zu schicken. Vor fast genau 6 Jahren führte man den Versuch als gelungene Mission durch. Da diese Probe besser als erwartet herauskam, konnte die ESA mit dem Projekt LISA fortfahren. Bis 2011 war LISA eine gemeinsame Mission mit der NASA. Da diese zu diesem Zeitpunkt das Projekt James Webb-Teleskop aber viel stärker als geplant budgetieren musste, musste sie vom Projekt LISA aus finanziellen Problemen zurücktreten. Weil nun aber der LISA-Pathfinder ein Riesenerfolg war und gleichzeitig in den USA zum ersten Mal auch noch Gravitationswellen detektiert wurden, bekam die NASA erneut Interesse am Projekt und stieg 2016 wieder ein. Wegen dieser Entwicklungen wird das Jahr 2016 auch als “Magisches Jahr” bezeichnet. Jetzer ist weiterhin am Projekt LISA beteiligt. Im Jahr 2016 übernahm er die Verantwortung für eine alle zwei Jahre stattfindende Konferenz und organisierte diese in Zürich. Diese Konferenz war sehr wichtig und es kamen aus den oben genannten Gründen viel mehr Teilnehmende als erwartet.  

Seit 2016 arbeitet man nun wieder intensiv an LISA weiter. Die Satelliten werden gebaut, Berechnungen werden gemacht und Vorbereitungen werden getroffen. Eine grosse Schwierigkeit ist dabei, dass der Interferometer aus drei Satelliten besteht. Das bedeutet, dass man alles dreifach bauen muss; im Gegensatz zum Pathfinder, den man nur einfach gebaut hat. Und da man noch für jeden Satelliten eine Reserve haben möchte, muss eigentlich sogar alles sechsfach hergestellt werden. Doch das Interesse und die Motivation sind gross. Auch China wollte sich an diesem Projekt beteiligen und die ESA unterstützen. Aber aus politischen Gründen kam die Zusammenarbeit nicht zustande. Deshalb begann China ein eigenes Projekt und wurde somit zur Konkurrenz.

LISA soll im Jahr 2035 ins All geschickt werden. Die Messungen sollten Daten über circa 10 Jahre liefern. Die ganze Mission, das ganze Projekt hat also einen Zeitrahmen von etwa 50 Jahren. Als Nächstes können wir uns auf den Start der LISA-Satelliten freuen – den Start zur Entdeckung von Gravitationswellen im All.

Gravitation

Von Rithvik Maripally

Was ist Gravitation überhaupt?

Bevor wir Gravitationswellen anschauen, sollten wir vorher wissen, was Gravitation im Allgemeinen ist. Wir kennen die Gravitation als Ursache, warum Gegenstände fallen. Newton beschrieb die Schwerkraft als eine anziehende Kraft zwischen allen Objekten mit Masse. Einstein beschrieb die Schwerkraft als Krümmung von Raum und Zeit. Für uns bewirkt sie, dass wir nicht von der Erde fallen. Sie hält aber auch die Erde in der Umlaufbahn um die Sonne. Die Kraft, die man durch die Schwerkraft eines Objekts, etwa eines Planeten, spürt, hängt von drei Faktoren ab: Wie viel Masse es hat, wie viel Masse man selbst hat und wie weit man davon entfernt ist. Die Gravitation ist also eine Kraft, die immer paarweise auftritt. Dass heisst, man wird von der Erde angezogen, aber die Erde wird auch von einem angezogen. Diese Kraft ist im Verhältnis zur Masse der Erde jedoch so klein, dass man sie vernachlässigen kann.

 

Was sind Gravitationswellen?

Ein Jahr, nachdem Einstein seine Relativitätstheorie im Jahr 1915 veröffentlicht hatte, bemerkte er, dass seine Theorie Gravitationswellen vorhersagt. Lange war die Idee der Gravitationswellen dann nur ein mathematisches Konstrukt, – bis sie im Jahr 2015 erstmals direkt gemessen wurden. Diese Entdeckung bestätigte Einsteins Relativitätstheorie ein weiteres Mal.
 

Gravitationswellen sind Verzerrungen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Doch was versteht man unter Raumzeit? Raumzeit ist ein vierdimensionaler Raum, der aus den drei Raumrichtungen und der Zeit als vierter Dimension besteht.

Jede einzelne Masse verformt oder krümmt sie und ändert die Bahnen und Distanzen zwischen Körpern und Teilchen. Man kann sie sich wie ein Trampolin vorstellen, auf dem Kugeln liegen. Die Kugeln verursachen unterschiedlich tiefe Dellen auf dem Trampolin. Je schwerer die Kugel ist, umso tiefer ist die Einbuchtung. Es kommt zu einer Krümmung der Raumzeit. Weil er Raum jedoch extrem steif ist, braucht es viel Masse (Energie), um ihn auch nur ein wenig zu krümmen.

Ein Beispiel dafür ist eine Annäherung von zwei umeinander rotierenden, massiven Schwarzen Löchern. Nachdem sie sich Millionen von Jahren um sich gekreist haben, verschmelzen sie und werden sogar zu einem noch grösseren Schwarzen Loch. Den Bruchteil einer Sekunde, bevor sie verschmelzen, schicken sie Gravitationswellen durch das Universum. Die Kollision zweier schwarzer Löcher war ein Beispiel, wie Gravitationswellen entstehen können. Andere hochenergetische astronomische Ereignisse hinterlassen ebenfalls Gravitationswellen. Der Kollaps eines Sterns, bevor er in einer Supernova explodiert, oder eine sehr dichte Neutronensternkollision können andere Ursachen sein. Ein Problem jedoch ist, dass die Wellen unglaublich kurz und klein sind, sodass wir sie kaum spüren. Da kommt LISA ins Spiel.
 

Rithvik Maripally ist Schüler der Klasse 4d und hat im Rahmen seines Personal Projects ein Praktikum an der ETH absolviert.

Wie funktioniert LISA?

Das Interferometer von LISA besteht aus drei Raumsonden. Diese befinden sich je auf einer anderen Kreisbahn um die Sonne, wobei sie ein stets gleichbleibendes Dreieck bilden und gegenseitig Laserstrahlen senden, das der Erde auf ihrer Umlaufbahn folgt. Im Innern jeder Sonde befindet ein Würfel aus Gold, das Ende des Lasers. Dieser bildet die Testmasse, die von nichts ausser dem Laser berührt wird und deshalb immer exakt auf ihrer Bahn bleibt. Die Sonde rundherum richtet sich ständig nach dieser Testmasse aus, wobei die Korrekturen in der Grössenordnung eines Bruchteils eines Protonendurchmessers liegen. So gibt es keine Störungen von aussen. Wenn sich die Distanz zwischen zwei Testmassen trotzdem ändert, muss die Ursache deshalb eine Gravitationswelle sein. Detektiert wird eine Änderung, weil die Interferenzen der elektromagnetischen Wellen, also der Laser-Strahlen, je nach Distanz konstruktiv oder destruktiv sind.

 

Was will man mit LISA „sehen“?

LISA sollte alle Gravitationswellen detektieren, die in ihrem Frequenzbereich liegen. Am empfindlichsten wird sie im Frequenzbereich zwischen 0,1 und 1 Hertz sein. Auslöser solcher Wellen können Verschmelzungen von supermassiven Schwarzen Löchern oder von Doppelsystemen Weisser Zwergen sein. Weisse Zwerge sind kleine, sehr kompakte alte Sterne. Mit LISA hofft man, nachweisen zu können, dass Weisse Zwerge tatsächlich die Gravitationswellen emittieren, die sie der Theorie an emittieren müssten. Ausserdem will man von den Schwarzen Löchern herausfinden, wie sie gebildet wurden und welche Rolle sie beim Entstehen von Galaxien gespielt haben.

Vor diesem Hintergrund ist LISA für die Astronomie und insbesondere die Astrophysik interessant. Relevant ist das Projekt aber auch für die Quantenphysik: Es wird vermutet, dass sich supermassive Schwarze Löcher im Zentrum jeder Galaxie befinden. Da das Universum sich ausdehnt, ist davon auszugehen, dass sie sich beim Urknall sehr nahe beieinander befunden haben. Die Verschmelzungen solcher Schwarzen Löcher, die man mit LISA messen können sollte, würden uns folglich zeitlich sehr nahe an den Urknall heranbringen. So könnte man zum Beispiel überprüfen, ob damals schon die Gravitation existiert hat.

 

Was ist der Unterschied zwischen LISA und den Interferometern auf der Erde?

Bei LISA sind die Laserarme sehr viel länger als bei den anderen Interferometern. Dadurch sind viel genauere Messungen möglich. Ausserdem hat man das Problem von äusseren Störungen, die man auf der Erde nie ganz beheben kann, bei LISA nicht. Dafür wird es schwierig sein, aus der Fülle der detektierten Gravitationswellen – es gibt Tausende von Doppelsystemen Weisser Zwerge – die relevanten herauszufiltern.  

 

Wie werden die Daten ausgewertet werden?

Aus dem Weltall werden nur die Rohdaten an die Erde verschickt werden. Die Rohdaten müssen dann hier mit Algorithmen neu berechnet und interpretiert werden. Die ESA und NASA werden die ersten Daten auswerten, später werden diese Arbeit dann Datenzentren übernehmen.
Grundsätzlich funktioniert die Auswertung so, dass theoretische Physiker:innen berechnen, wie die Gravitationswellen verschiedener Ursachen aussehen müssten. Nach diesen Wellen werden dann die Daten systematisch abgesucht. Bei einigen Doppelsystemen Weisser Zwerge weiss man zum Beispiel genau, wo sie sich befinden und wie sie sich bewegen, sodass man die emittierten Gravitationswellen vorhersagen kann. Diese sollte LISA dann auch in der Wirklichkeit finden. Diese Methode des Abgleichens von Erwartetem mit Gemessenem nennt sich “matched filtering”. Es ist teilweise noch nicht ganz klar, wie das Filtern der Daten funktionieren soll. Doch wie Prof. Jetzer sagt: “Wir haben ja noch 15 Jahre.”
 

Tilla Gürtler, Sora Ritzmann und Lucy Strobel besuchen das Präferenzfach Physik.
Illustrationen: Nicolas Lohse (3i), Aino Tschander (3i), Aline Braun (3b), Alexander Pollakis (5a)

 

 

Quellen

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