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Ein Raumschiff hat gerade die Bewegung gemessen, die kleiner als die Breite eines Atoms ist

Eine Million Meilen von der Erde entfernt zeigte ein Satellit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit zwei schwimmenden Würfeln aus Gold-Platin-Legierung, dass es möglich ist, Bewegungen auf der Skala eines Atomkerns zu messen, die die Natur einiger der massereichsten Objekte im Universum offenbaren könnten .

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Das Raumfahrzeug heißt LISA Pathfinder und ist der Prüfstand für die Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA). Die Ergebnisse wurden heute in einem Artikel in Physical Review Letters veröffentlicht .

Die eLISA-Mission besteht aus drei Raumschiffen, die die Sonne umkreisen. Eines der Raumfahrzeuge feuert einen Laser auf die beiden anderen ab und beschreibt eine L-Form mit einer Seitenlänge von 621.000 Meilen. Die Laser messen den Abstand zwischen den von den Sonden getragenen Testmassen auf wenige Billionstel Meter genau - kleiner als Atome. Die genaue Messung ermöglicht es Wissenschaftlern, Gravitationswellen - Störungen, die den Raum selbst dehnen - zu beobachten, die eine Folge von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie sind. Diese vorbeiziehende Welle verändert die Länge einer Seite des L relativ zur anderen und lässt die Wissenschaftler die tatsächliche Krümmung des Raums erkennen.

"Sagen Sie, wenn Sie eine Messe in New York und eine in Turin hatten", sagt Stefano Vitale, Professor für Physik an der Universität Trento in Italien und Hauptforscher für LISA Pathfinder gegenüber Smithsonian.com. "Sie beschleunigen beide in Richtung Erdmittelpunkt. Wenn eine Gravitationswelle vorbeizieht, beginnen sie in leicht unterschiedliche Richtungen zu fallen."

Die Verfolgung derart winziger Bewegungen sei jedoch schwierig, sagte Fabio Favata, Leiter des Koordinierungsbüros der ESA-Direktion für Wissenschaft, auf einer Pressekonferenz, in der die Ergebnisse bekannt gegeben wurden. Deshalb wurde LISA Pathfinder ins Leben gerufen. "Wir beschlossen, dass wir laufen lernen sollten, bevor wir rennen können", sagte er. "Das ist analog zum Gemini-Projekt für Apollo ... Wir haben nicht nur gelernt, zu laufen, sondern auch ziemlich gut zu joggen."

In LISA Pathfinder schweben zwei 1, 9-Kilogramm-Würfel aus einer Gold-Platin-Legierung in einem Abstand von 14, 8 Zoll. Ein Laserstrahl wird von jedem Würfel reflektiert und die überlagerten Laser messen ihre Bewegung relativ zueinander.

"Wir haben Millionen von Kilometern LISA genommen und in ein Raumschiff geschrumpft", sagte Paul McNamara, ESA-Projektwissenschaftler bei LISA Pathfinder. LISA Pathfinder ist zu klein, um Gravitationswellen zu messen, aber es hat sich gezeigt, dass die Instrumente sehr kleine Bewegungen messen können und dass es möglich ist, eine Umgebung ohne Störungen durch die äußere Umgebung aufzubauen.

Der LISA Pathfinder zeigte, dass er Bewegungen auf der Femtometerskala aufnehmen konnte - einem Millionstel eines Milliardstel Meters. Das sei um Größenordnungen besser als erhofft, sagte Martin Hewitson, leitender Wissenschaftler bei LISA Pathfinder. "Wir wollten Bewegungen im Pikometerbereich sehen", sagte er. Ein Pikometer ist 1.000-mal größer als ein Femtometer. "Es ist mehr als 100 Mal besser als [Beobachtungen] am Boden."

Gravitationswellen wurden bereits früher entdeckt. Wissenschaftler des Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) gaben im Februar bekannt, dass sie sie gefunden hatten. Die Wellen wurden wahrscheinlich durch die Kollision von zwei Schwarzen Löchern verursacht.

Aber LIGO ist auf der Erde, was bedeutet, dass es die Arten von Gravitationswellen nicht sehen kann, die von anderen Phänomenen erzeugt werden könnten. Erdbeben auf der anderen Seite des Planeten, vorbeifahrende Lastwagen und sogar die Wärmeausdehnung der Ausrüstung können die Signale, die LIGO sucht, übertönen. Ein weiterer Faktor ist die Größe. Jeder bodengestützte Detektor kann nur so groß sein. LIGO, das auch eine L-Form beschreibt, hat eine Seitenlänge von 4 km und lässt den Laser zwischen den Spiegeln hin und her springen, um eine effektive Länge von 10 km zu erzielen. Das ist groß genug, um Gravitationswellen mit Frequenzen von etwa 100 Hz bis 1.000 Hz effizient zu sehen, sagte Shane Larson, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Northwestern University und einer der Wissenschaftler, die an LIGO gearbeitet haben. (Als das LIGO-Team seine Entdeckung ankündigte, lag die niedrigste "gehörte" Frequenz bei etwa 35 Hz). Das entspricht Wellenlängen von etwa 300.000 bis 8, 5 Millionen Metern. (Gravitationswellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit). Das bedeutet, dass LIGO nicht nur schwarze Löcher kollidieren lässt, sondern auch Neutronensterne hören kann, wenn sie sich drehen oder wenn sich Paare ineinander winden.

eLISA wird jedoch Gravitationswellen sehen können, die viele Sekunden dauern - etwa 0, 0001 bis 1 Hz, was Gravitationswellen von bis zu 3 Milliarden Kilometern Länge entspricht.

Larson sagte, dass der Frequenzbereich die Erkennung von Objekten und Phänomenen ermöglicht, mit denen LIGO nicht Schritt halten kann. "Wir konnten Neutronensterne sehen, die sich umkreisen, aber viel früher, bevor sie sich nähern", sagte er. "Oder weiße Zwergsterne. Weiße Zwerge werden Kontakt aufnehmen und sich zusammenschließen, aber sie werden dies tun, bevor LIGO sie sehen kann." eLISA wird sie jedoch abholen.

Vitale fügte hinzu, dass eLISA einige grundlegende Fragen zu Schwarzen Löchern und galaktischen Zentren beantworten wird. "Wir wissen, dass jede Galaxie ein Schwarzes Loch zwischen Hunderttausenden und Milliarden von Sonnenmassen hat", sagte er. "[eLISA] kann die Kollision von hinteren Löchern dieser Größe sehen. Wir können auch sehen, wie ein kleines Schwarzes Loch in ein großes Schwarzes Loch fällt; das sendet ein Signal, das eine Art Abbildung des Schwerkraftfeldes um das Schwarze Loch ermöglicht." Die genaue Form dieser Felder ist eine wichtige offene Frage in der Astrophysik. Es könnte sogar zeigen, ob Schwarze Löcher tatsächlich Ereignishorizonte haben.

Larson sagte, die Kollisionen größerer Schwarzer Löcher könnten auch Aufschluss darüber geben, wie die Schwarzen Löcher in galaktischen Zentren so groß wurden. "Wir sehen sehr früh im Universum riesige schwarze Löcher. Wie können sie so schnell groß werden? LISA kann diese bis an den Rand des beobachtbaren Universums sehen."

Der Start von eLISA ist für 2034 geplant. Die Datenerfassung sollte innerhalb weniger Monate nach dem Start beginnen.

Ein Raumschiff hat gerade die Bewegung gemessen, die kleiner als die Breite eines Atoms ist