Aus diesem Grund sollten wir ein Gravitationswellenobservatorium auf dem Mond errichten

Wissenschaftler entdeckten 2015 die erste seit langem vorhergesagte Gravitationswelle und suchen seitdem nach besseren Detektoren. Aber die Erde ist heiß und seismisch laut, was die Wirksamkeit terrestrischer Detektoren immer einschränkt.

Ist der Mond der richtige Ort für ein neues Gravitationswellen-Observatorium? Es könnte sein. Teleskope in den Weltraum zu schicken hat gut funktioniert, und auch die Errichtung eines GW-Observatoriums auf dem Mond könnte funktionieren, obwohl der Vorschlag offensichtlich sehr komplex ist.

Der größte Teil der Astronomie dreht sich um Licht. Je besser wir uns dabei fühlen, desto mehr erfahren wir über die Natur. Aus diesem Grund befinden sich Teleskope wie Hubble und JWST im Weltraum. Die Erdatmosphäre verzerrt Teleskopbilder und blockiert sogar einiges Licht, beispielsweise Infrarot. Weltraumteleskope lösen beide Probleme und haben die Astronomie revolutioniert.

Gravitationswellen sind kein Licht, dennoch erfordert ihre Detektion höchste Sensibilität. So wie die Erdatmosphäre „Rauschen“ in Teleskopbeobachtungen einbringen kann, kann die seismische Aktivität der Erde auch Probleme für Gravitationswellendetektoren verursachen. Der Mond hat gegenüber unserem dynamischen und sich ständig verändernden Planeten einen großen Vorteil: Er weist viel weniger seismische Aktivität auf.

Wir wissen seit der Zeit von Apollo, dass der Mond seismische Aktivität aufweist. Aber anders als auf der Erde hängt der Großteil seiner Aktivität mit Gezeitenkräften und winzigen Meteoriteneinschlägen zusammen. Der Großteil seiner seismischen Aktivität ist außerdem schwächer und viel tiefer als die der Erde. Dies erregte die Aufmerksamkeit von Forschern, die die Lunar Gravitational Wave Antenna (LGWA) entwickelten.

Die LGWA-Entwickler haben einen neuen Artikel mit dem Titel „The Lunar Gravitational Wave Antenna: Mission Studies and Science Case“ geschrieben und auf der Website veröffentlicht. arXiv Preprint-Server. Der Hauptautor ist Parameswaran Ajith, Physiker/Astrophysiker am International Center for Theoretical Sciences, Tata Institute of Fundamental Research, Bangalore, Indien. Ajith ist außerdem Mitglied der wissenschaftlichen Zusammenarbeit LIGO.

Ein Gravitationswellenobservatorium (GWO) auf dem Mond würde eine Lücke in der Frequenzabdeckung schließen.

„Angesichts der Größe des Mondes und des erwarteten Lärms, der durch den seismischen Hintergrund des Mondes erzeugt wird, wäre LGWA in der Lage, GWs von etwa 1 MHz bis 1 Hz zu beobachten“, schreiben die Autoren. „Dies würde LGWA zum fehlenden Bindeglied zwischen Weltraumdetektoren wie LISA mit maximalen Empfindlichkeiten in der Größenordnung von einigen Millihertz und geplanten zukünftigen terrestrischen Detektoren wie dem Einstein-Teleskop oder dem Cosmic Explorer machen.“

Wenn die LGWA gebaut würde, würde sie aus einer weltweiten Anordnung von Detektoren bestehen. Die einzigartigen Bedingungen auf dem Mond werden es LGWA ermöglichen, ein größeres Fenster in die Wissenschaft der Gravitationswellen zu öffnen. Der Mond weist eine äußerst geringe seismische Hintergrundaktivität auf, die die Autoren als „seismische Stille“ bezeichnen. Das Fehlen von Hintergrundgeräuschen ermöglicht empfindlichere Erkennungen.

Der Mond hat auch innerhalb seiner permanenten Schattenregionen (Permanent Shadow Regions, PSR) extrem niedrige Temperaturen. Detektoren müssen unterkühlt werden, und kalte Temperaturen in PSRs erleichtern diese Aufgabe. Die LGWA würde aus vier Detektoren bestehen, die sich in einem PSR-Krater an einem der Mondpole befinden.

Die LGWA ist eine ehrgeizige Idee, deren wissenschaftliche Auswirkungen bahnbrechend sein könnten. In Kombination mit Teleskopen, die das gesamte elektromagnetische Spektrum beobachten, und Detektoren für Neutrinos und kosmische Strahlung – sogenannte Multi-Messenger-Astronomie – könnte es unser Verständnis einer Vielzahl kosmischer Ereignisse verbessern.

Die LGWA wird über einzigartige Fähigkeiten zur Erkennung kosmischer Explosionen verfügen. „Nur LGWA kann astrophysikalische Ereignisse beobachten, an denen WDs (Weiße Zwerge) beteiligt sind, wie Tidal Disruption Events (TDE) und SNe Ia“, erklären die Autoren. Sie weisen auch darauf hin, dass nur LGWA in der Lage sein wird, Astronomen Wochen oder sogar Monate vor der Verschmelzung kompakter Doppelsterne mit Sonnenmasse, einschließlich Neutronensternen, zu warnen.

Die LGWA wird auch in der Lage sein, leichtere Schwarze Löcher mittlerer Masse (IMBHs) im frühen Universum zu entdecken. IMBHs spielten eine Rolle bei der Entstehung der heutigen supermassiven Schwarzen Löcher (SMBHs) im Herzen von Galaxien wie unserer. Astrophysiker haben viele unbeantwortete Fragen zu Schwarzen Löchern und ihrer Entwicklung, und die LGWA sollte bei der Beantwortung einiger dieser Fragen helfen.

Verschmelzungen von Doppelten Weißen Zwergen (DWD) außerhalb unserer Galaxie sind eine weitere Sache, die LGWA allein erkennen kann. Sie können zur Messung der Hubble-Konstante verwendet werden. Im Laufe der Jahrzehnte haben Wissenschaftler präzisere Messungen der Hubble-Konstante erhalten, es bestehen jedoch weiterhin Diskrepanzen.

Die LGWA wird uns auch mehr über den Mond erzählen. Seine seismischen Beobachtungen werden die innere Struktur des Mondes detaillierter als je zuvor enthüllen. Es gibt noch viel, was Wissenschaftler über seine Entstehung, Geschichte und Entwicklung nicht wissen. Die seismischen Beobachtungen des LGWA werden auch Aufschluss über die geologischen Prozesse auf dem Mond geben.

Die LGWA-Mission befindet sich noch in der Entwicklung. Bevor sie es umsetzen können, müssen Wissenschaftler mehr darüber wissen, wo sie es platzieren wollen. Hier kommt die vorläufige Soundcheck-Mission ins Spiel.

Im Jahr 2023 wählte die ESA Soundcheck in ihre Pipeline wissenschaftlicher Aktivitäten für den Mond aus. Soundcheck wird nicht nur die seismische Oberflächenverschiebung, magnetische Schwankungen und die Temperatur messen, sondern auch eine Technologiedemonstrationsmission sein. „Die Validierung der Soundcheck-Technologie konzentriert sich auf den Einsatz von Trägheitssensoren, Mechanik und Anzeigen, Wärmemanagement und Plattform-Upgrades“, erklären die Autoren.

In der Astronomie, Astrophysik, Kosmologie und verwandten wissenschaftlichen Bereichen scheint es immer, dass wir am Rande neuer Entdeckungen und eines neuen Verständnisses des Universums und unserer Anpassung daran stehen. Der Grund dafür, dass dies immer der Fall zu sein scheint, liegt darin, dass es wahr ist. Der Mensch wird darin immer besser, und das Aufkommen und Aufblühen der GW-Wissenschaft ist ein Beispiel dafür, auch wenn wir gerade erst am Anfang stehen. Es ist noch nicht einmal ein Jahrzehnt vergangen, seit Wissenschaftler ihr erstes GW entdeckt haben.

Wie geht es weiter?

„Trotz dieser gut entwickelten Roadmap für die GW-Wissenschaft ist es wichtig zu erkennen, dass die Erforschung unseres Universums durch GWs noch in den Kinderschuhen steckt“, schreiben die Autoren in ihrem Artikel. „Zusätzlich zu den immensen erwarteten Auswirkungen auf die Astrophysik und Kosmologie birgt dieses Gebiet eine hohe Wahrscheinlichkeit unerwarteter und grundlegender Entdeckungen.“