Deshalb sollten wir ein Gravitationswellenobservatorium auf dem Mond errichten

Wissenschaftler entdeckten die erste seit langem vorhergesagte Gravitationswelle im Jahr 2015 und seitdem sind Forscher hungrig nach besseren Entdeckungen. Aber die Erde ist warm und voller seismischer Geräusche, und dies wird die Wirksamkeit bodengestützter Detektoren immer einschränken.

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

Der größte Teil der Astronomie dreht sich um Licht. Je besser wir es spüren können, desto mehr lernen wir über die Natur. Deshalb befinden sich Teleskope wie Hubble und JWST im Weltraum. Die Erdatmosphäre verzerrt Teleskopbilder und blockiert sogar etwas Licht, beispielsweise Infrarotstrahlung. Weltraumteleskope überwinden beide Probleme und haben die Astronomie revolutioniert.

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

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

Die LGWA-Entwickler haben eine geschrieben Neues Papier„Lunar Gravity Wave Antenna: Mission Studies and Scientific Status“ und auf der Website veröffentlicht arXiv Erweiterter Druckserver. Der Hauptautor ist Parameswaran Ajith, ein Physiker/Astrophysiker vom 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, wird LGWA in der Lage sein, GWs von etwa 1 MHz bis 1 Hz zu beobachten“, schreiben die Autoren. „Dies würde LGWA zum fehlenden Bindeglied zwischen weltraumgestützten Detektoren wie LISA mit maximalen Empfindlichkeiten von etwa einigen Millihertz und geplanten zukünftigen bodengestützten Detektoren wie dem Einstein-Teleskop oder dem Cosmic Explorer machen.“

Wenn LGWA gebaut würde, würde es aus einer Reihe von Detektoren im planetarischen Maßstab bestehen. Die einzigartigen Bedingungen des Mondes werden es LGWA ermöglichen, ein größeres Fenster zur Gravitationswellenwissenschaft zu öffnen. Der Mond weist eine sehr geringe seismische Hintergrundaktivität auf, die die Autoren als „seismische Stille“ bezeichnen. Das Fehlen von Hintergrundgeräuschen ermöglicht empfindlichere Erkennungen.

Auch der Mond weist in seinen permanent beschatteten Regionen (PSRs) extrem niedrige Temperaturen auf. Die Detektoren müssen sehr kalt sein und die kalten Temperaturen in den PSRs erleichtern diese Aufgabe. Die LGWA wird aus vier Detektoren in einem PSR-Krater an einem der Mondpole bestehen.

LGWA ist eine ehrgeizige Idee mit wissenschaftlichem Nutzen, die bahnbrechend sein könnte. In Kombination mit Teleskopen, die das gesamte elektromagnetische Spektrum beobachten, sowie mit Neutrino- und kosmischen Strahlungsdetektoren – sogenannte Multi-Messenger-Astronomie – könnte dies unser Verständnis des gesamten Spektrums kosmischer Ereignisse verbessern.

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

LGWA wird auch in der Lage sein, das leichteste Schwarze Loch mittlerer Masse (IMBH) im frühen Universum zu entdecken. IMBHs spielten eine Rolle bei der Bildung der heutigen supermassiven Schwarzen Löcher (SMBHs) im Kern von Galaxien wie unserer eigenen. Astrophysiker haben viele unbeantwortete Fragen zu Schwarzen Löchern und ihrer Entwicklung, und LGWA sollte bei der Beantwortung einiger dieser Fragen helfen.

Auch die Verschmelzung doppelter Weißer Zwerge (DWD) außerhalb unserer Galaxie ist eine Sache, die nur LGWA spüren kann. Es kann zur Messung der Hubble-Konstante verwendet werden. Im Laufe der Jahrzehnte haben Wissenschaftler präzisere Messungen der Hubble-Konstante erhalten, es bestehen jedoch weiterhin Inkonsistenzen.

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

Die LGWA-Mission befindet sich noch in der Entwicklung. Bevor es umgesetzt werden kann, müssen Wissenschaftler mehr darüber wissen, wo sie es einsetzen wollen. Hier kommt die erste Soundcheck-Aufgabe ins Spiel.

Im Jahr 2023 wählte die Europäische Weltraumorganisation Soundcheck als Teil ihrer Reservesammlung für mondwissenschaftliche Aktivitäten aus. Soundcheck wird nicht nur seismische Oberflächenverschiebungen, magnetische Schwankungen und Temperatur messen, sondern auch als Demonstrationsmission für die Technologie dienen. „Die Validierung der Soundcheck-Technologie konzentriert sich auf den Einsatz, die Mechanik und Anzeige der Trägheitssensoren, das Wärmemanagement und die Nivellierung der Plattform“, erklären die Autoren.

In der Astronomie, Astrophysik, Kosmologie und verwandten wissenschaftlichen Unternehmungen scheinen wir immer am Rande neuer Entdeckungen und eines neuen Verständnisses des Universums und unserer Rolle darin zu stehen. Der Grund dafür, dass es immer so aussieht, ist, dass es wahr ist. Der Mensch wird in diesem Bereich immer besser, und die Entstehung und der Erfolg der GW-Wissenschaft sind ein Beispiel dafür, auch wenn wir gerade erst am Anfang stehen. Es ist noch nicht einmal ein Jahrzehnt her, seit Wissenschaftler das erste GW entdeckt haben.

Wie wird es von hier aus weitergehen?

„Trotz der gut entwickelten Roadmap für die GW-Wissenschaft ist es wichtig zu erkennen, dass die Erforschung unseres Universums mit GWs noch in den Kinderschuhen steckt“, schreiben die Autoren in ihrem Artikel. „Neben den zu erwartenden enormen Auswirkungen auf die Astrophysik und Kosmologie birgt dieses Gebiet großes Potenzial für grundlegende und unerwartete Entdeckungen.“