Technologie
LISA: NASA zeigt, wie Gravitationswellen Exoplaneten um Paare Weißer Zwerge enthüllen könnten, mit Bestätigung durch Webb
Zwei Studien der NASA, veröffentlicht im Astrophysical Journal, beschreiben, wie das Gravitationswellenobservatorium LISA eine neue Population von Exoplaneten entdecken könnte, die Paare Weißer Zwerge umkreisen, mit Bestätigung durch das James-Webb-Weltraumteleskop.
Ein Planet, der zwei erloschene Sterne umkreist, hinterlässt seine Spuren vielleicht nicht im Licht, sondern in Gravitationswellen, den schwächsten Wellen der Raumzeit, die von umlaufenden Körpern verursacht werden. Das zeigen zwei Studien von NASA-Astrophysikern, die am Dienstag, 10. November, im Astrophysical Journal veröffentlicht wurden. Sie beschreiben, wie das derzeit in Entwicklung befindliche Observatorium LISA (Laser Interferometer Space Antenna) eine neue Population von Exoplaneten in unserer Galaxie aufdecken könnte. Die NASA veröffentlichte die Ankündigung auf ihrer Website.
Die erste Studie stammt allein von Casey McGrath, einem Postdoc an der University of Maryland, Baltimore County (UMBC) und am Goddard Space Flight Center der NASA. Sie untersucht die Methode und ermittelt die Planetenmassen und Umlaufzeiten, bei denen sie am besten funktioniert. Die zweite Studie befasst sich damit, wie solche Planeten mit dem James-Webb-Weltraumteleskop bestätigt werden könnten. Die Idee wurde 2008 erstmals vom japanischen Astronomen Naoki Seto vorgeschlagen.
Die Quelle des Signals sind Doppelsysteme aus Weißen Zwergen: Paare Weißer Zwerge, den dichten Überresten sonnenähnlicher Sterne, die etwa so groß sind wie die Erde und sich auf einer sehr engen Umlaufbahn bewegen. „Wenn es im System auch einen Exoplaneten gibt, wird sich seine Anwesenheit dem Gravitationssignal auf eine Weise aufprägen, die wir entdecken können“, erklärte McGrath. Um einzelne Weiße Zwerge wurden bereits einige Exoplaneten gefunden, um ein Paar bisher jedoch nicht. LISA-Nachweise wären daher eine eigenständige neue Population.
Das Prinzip ähnelt der Radialgeschwindigkeitsmethode, die bei Licht bereits für Planeten um nahe Sterne genutzt wird: Der Planet zieht mit seiner Schwerkraft am Stern und bringt ihn zum Schwanken, sodass sich seine Spektrallinien durch den Dopplereffekt verschieben. „Etwas Ähnliches geschieht mit Gravitationswellen“, sagte Scott Noble vom Goddard-Zentrum. Ein Paar Weißer Zwerge sendet mit nahezu konstanter Frequenz aus. Ein Planet mit ausreichender Masse verändert diese Frequenz jedoch und fügt eine Doppler-Modulation hinzu. Bei LISA erscheint diese als Seitenbänder, also als Nebensignale bei höheren und niedrigeren Frequenzen. McGrath vergleicht das mit dem Trägersignal beim Radio, bei dem Seitenbänder Sprache oder Musik übertragen. Hier tragen sie das Zeichen, dass ein Planet existiert.
In der Milchstraße gibt es schätzungsweise 10 Millionen Doppelsterne aus Weißen Zwergen mit Umlaufzeiten von unter einer Stunde. LISA dürfte davon etwa 10.000 erfassen, dazu etwa 100 gemischte Paare mit Weißen Zwergen, Neutronensternen oder Schwarzen Löchern. Zur Bestätigung nutzt das Team das Infrarotlicht von Webb: Ein Planet in einem solchen System sendet zusätzliches Infrarotlicht aus, über das hinaus, was die Sterne selbst abgeben. Die Instrumente von Webb können diesen Infrarotüberschuss bis mindestens 500 Lichtjahre Entfernung problemlos erkennen. In einem Testsystem in dieser Entfernung würde Webb einen Planeten entdecken, der etwa fünfmal so schwer ist wie Jupiter. LISA könnte unter idealen Bedingungen dagegen einen Planeten aufspüren, der kleiner ist als Jupiter. Wie Mary Anne Limbach von der University of Michigan sagte, würden gemeinsame Nachweise belegen, dass die Signale echte Planeten sind und keine falschen Hinweise.
LISA wird aus drei Raumfahrzeugen bestehen, die der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne folgen, in einem Dreieck mit Seitenlängen von 2,5 Millionen Kilometern (1,6 Millionen Meilen). Jedes Raumfahrzeug hat zwei Teleskope, die Infrarot-Laserstrahlen senden und empfangen. Sie messen Abstandsänderungen, die kleiner sind als der Durchmesser eines Heliumatoms. Genau diese Änderungen sind das Gravitationswellensignal. Die Mission wird von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) geleitet, der Start ist für Mitte der 2030er-Jahre vorgesehen. Die NASA steuert die Teleskope, den Laser, Geräte zur Steuerung der elektrischen Ladung der Testmassen, die Datenanalyse sowie wissenschaftliche und technische Unterstützung bei.
Gravitationswellen wurden 1916 von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt und 2015 erstmals von bodengebundenen Observatorien nachgewiesen.
