THEMA:

Hallo allerseits!

Seit meinem letzten Besuch hat sich die Forumstruktur ja kräftig geändert, hoffentlich habe ich die richtige Abteilung erwischt. In Fragen zu Büchern/Videos hätte es vielleicht besser gepasst, aber dort sind Diskussionen ja eher unerwünscht, deswegen hier im Forum. Und weil es sich nicht um eine direkte Frage zur Naturwissenschaft handelt, sondern eine technische Anwendung betrifft, habe ich mich für diese Rubrik Sonstiges entschieden.

Nun zur Frage, in den meisten Videos zu Gravitationswellen wird auf die geplante Laser Interferometer Space Antenna (LISA) hingewiesen. Für die Interferometer auf der Erde wurde immer gesagt, dass man aus zwei Gründen mehrere davon benötigt.

1) Ein zweites oder drittes Interferometer aufzubauen hilft dabei, einen Fehlalarm auszuschließen. Nun gut, im Weltall gibt es ja nicht so viele Störquellen, der LKW-Verkehr hält sich in Grenzen, Temperaturunterschiede ebenfalls. Höchstens könnte ich mir den Sonnenwind als Störenfried vorstellen.

2) Aber was mich eher irritiert, auf der Erde wurden mindestens drei benötigt, um den Ursprungsort der Wellen zu bestimmen. Ohne eine Ortung wissen die Bediener der herkömmlichen, auf elektromagnetischen Wellen basierenden Geräte ja nicht, wohin sie gucken müssen, um das Phänomen zu suchen. Wie soll das mit nur einem Interferometer funktionieren? Liefern die beiden L-Arme durch ihre gigantischen Ausmaße etwa so präzise Signale, dass man aus ihnen nebst der Entfernung auch die Richtung bestimmen kann?

Gruß, Spielkalb

Spartanisches schrieb:

2) Aber was mich eher irritiert, auf der Erde wurden mindestens drei benötigt, um den Ursprungsort der Wellen zu bestimmen.

LISA - Genügt eines? Wohl nicht....

Einerseits sollten weitere Messgeräte in gehöriger Entfernung installiert werden, dafür kämen vielleicht L4 und L5 in Betracht .... und andererseits wird man (im Hinblick auf die Kosten) zuerst einmal sehen wollen, ob man überhaupt etwas sieht.

Der ESA-Satellit LISA pathfinder war von 2015 bis 2017 in einem Orbit um den Lagrangepunkt L1 stationiert. Er diente der Erprobung eines Laserinterferometers und verschiedener Antriebstechniken zur Lageregelung der Sonde.

Die Mission war erfolgreich, die Probemassen wurden über Monate im freien Fall gehalten. LISA pathfinder wurde 2017 in einen Friedhofsorbit um die Sonne geschickt und ist seitdem abgeschaltet.

Das Projekt LISA sieht vor, im Abstand von 50 Mio Kilometern von der Erde mit drei Laserinterferometern ein Dreieck mit einer Kantenlänge von wenigen Millionen Kilometern aufzuspannen. Der Start ist für 2034 geplant.

Seit dem Ausstieg der NASA aus dem Projekt in 2011 aus finanziellen Gründen wird das Vorhaben von der ESA alleine weiterbetrieben.

Also, wenn ich das richtig verstanden habe, dann genügt LISA alleine.
Denn es wird ein Dreieck aufgespannt mit mehreren Mio. km Kantenlänge.
Da Gravitationswellen mit c unterwegs sind, und dieses Dreieck aus den unterschiedlichsten Winkeln getroffen wird, kann man aus den Signallaufzeiten der drei Seiten auf die Richtung schließen, aus der das Signal kam.
Ein Spezialfall stellt sich dann ein, wenn die GW genau senkrecht auf das Dreieck trifft, denn dann werden alle drei Seiten in gleicher Weise verformt.
In allen anderen Fällen nicht.

Man muss die Ankunftszeiten an den Dreiecksspitzen genau messen und die Amplituden ebenso.
Dann lässt sich die Richtung, die Entfernung und die Charakteristik des Ereignisses selbst genau ermitteln.

Thomas

Thomas schrieb:

Also, wenn ich das richtig verstanden habe, dann genügt LISA alleine.

LISA pathfinder war ein einzelner Satellit, mit dem die Technik grundsätzlich getestet wurde.
Das System LISA, das in 2034 platziert werden soll, besteht aus drei Satelliten, die zusammen ein Laserinterferometer bilden.

Auszug aus einer Beschreibung:

Catching Waves

A bit like the objects moving on the surface of a pond produce ripples and waves, massive objects moving in space distort the fabric of spacetime and produce gravitational waves. Some of these gravitational wave events will cause the three LISA spacecraft to shift slightly with respect to each other, as they "ride the gravitational waves", to produce a characteristic pattern in the combined laser beam signal that depends on the location and physical properties of the source.

LISA is Extremely High Precision

These signals are extremely small and require a very sensitive instrument to detect. For example, LISA aims to measure relative shifts in position that are less than the diameter of a helium nucleus over a distance of a million miles, or in technical terms: a strain of 1 part in 10²⁰ at frequencies of about a millihertz.

The LISA Pathfinder Mission was a proof-of-concept mission to test and prove the technology needed for LISA's success.

Ich ging in meinen Überlegungen schon von LISA aus, nicht von LISA pathfinder.

Genau, meine Frage zielte auch auf das fertige Produkt, wie es am Ende funktionieren soll.

Nach mühseliger Suche habe ich nun endlich eine Antwort gefunden:

How does LISA localize sources and how well will it do so?

LISA is an all-sky instrument, with the sensitivity to gravitational waves only weakly depending on the location of the source in the sky. Localization of individual sources comes from two main effects. The first is the motion of the LISA constellation around the Sun, which introduces shifts in both frequency (Doppler effect) and amplitude (sweeping the LISA sensitivity pattern across the sky). These shifts encode information about the sky position of the source in the waveform that LISA observes. Since most LISA sources are observed for months or years, there is sufficient modulation to provide localization. The second effect is that, for the higher frequency sources that LISA observes, the wavelength of the gravitational waves is similar to or smaller than the size of the LISA constellation. This means that different parts of the constellation experience the gravitational wave at slightly different times, which again encodes information about the location of the source. The precision of LISA's localization of a particular source depends on many factors including the type of source, the particular parameters of the source, and the duration of the observation. For the best-localized sources, the final localizations may be on the order of a few arcminutes. Degree-scale localization will be more typical and the more numerous faint sources will be localized less well. Interestingly, LISA's localization of a particular source will improve over time, which will open up some novel observing strategies for potential EM counterparts of events such as mergers of massive black holes.

Quelle: www.lisa.nasa.gov/faq.html

Aha, es gibt also zwei Wege zur Ortung der Quellen:

1. Die meisten Signale werden über Monate oder Jahre gemessen. Dabei dreht sich LISA um die Sonne und erhält damit genug Daten aus verschiedenen Richtungen, um die Position der Quelle zu ermitteln. Das unterscheidet sich also deutlich von diesen Chirps
die mit LIGO gemessen wurden und nur Mikrosekunden dauerten.

2. Bei Objekten im höheren Frequenzbereich ähnlich groß oder kleiner als LISA, kann die Positionierung direkt ausgelesen werden. Da LISA ein gleichseitiges Dreieck mit der Seitenlänge von 5.000.000 km darstellt, passt da schon einiges rein.
3. Die Genauigkeit soll über die Dauer besser werden, warum, habe ich allerdings nicht begriffen.

SpSp,
zum Punkt 1 steht zu vermuten, dass man hofft, hier den Gravitationswellenhintergrund einzufangen.
Dieser Hintergrund stammt noch aus dem Urknall und ist keiner spezifischen Quelle zuzuordnen.
So wie es den Mikrowellenhintergrund gibt, sollte es auch einen GW - Hintergrund geben.

Konkrete Quellen zeigen dagegen immer dieses Chirpsignal.

Thomas

Thomas schrieb:

zum Punkt 1 steht zu vermuten, dass man hofft, hier den Gravitationswellenhintergrund einzufangen.
Dieser Hintergrund stammt noch aus dem Urknall und ist keiner spezifischen Quelle zuzuordnen.
So wie es den Mikrowellenhintergrund gibt, sollte es auch einen GW - Hintergrund geben.

Konkrete Quellen zeigen dagegen immer dieses Chirpsignal.

Naja, dieses Chirpsignal gibt es genau in dem Augenblick, wenn zwei massereiche Körper in einander stürzen, wenn ich es recht verstanden habe. Die geben aber bereits zuvor Gravitationswellen ab, indem sie sich beschleunigt näher kommen. Je empfindlicher der Detektor, umso länger kann man diesen Prozess beobachten und diese lokalisieren. Falls es sich dabei um Neutronensterne handeln sollte, könnte man solche Daten prima mit der elektromagnetischen Beobachtung verbinden.

Außerdem erhoffen sie sich Messungen über die zentralen schwarzen Löcher von Galaxien, auch konkrete Objekte, die kontinuierlich Gravitationswellen aussenden.

Anscheinend machen sie sich eher Sorgen, wie man konkrete Signale vom Störrauschen filtern kann. Den Gravitationswellenhintergrund aus diesen ganzen Störsignalen herauszufiltern, wäre dann nochmals ein riesiger Schritt.

Zu den ganzen Zielen, Hintergründen, Spezifikationen usw. von LISA gibt es das sogenannte Yellow Book . 141 Seiten schmal, ich habe nur etwas hineingeschnuppert.

edit: Hier noch die Ziele bezüglich binären Systemen aus dem Yellow Book: https://imgur.com/5FrraiE
(Darf man hier keine Bilder einfügen?)

Wenn LISA "nur" ein gleichseitiges Dreieck darstellt dürfte die Empfindlichkeit sehr von der Position der Quelle bezüglich Dreiecksebene abhängen. LISA müsste für Quellen senkrecht über oder unter der Ebene blind sein...
Wären die Kosten für eine Tetraeder Form denn so viel höher?

Ja, für Gravitationswellen, die exakt senkrecht auf den Detektor treffen, müsste er blind sein. Das sind aber nur genau zwei Richtungen, so viel wird man wohl nicht verpassen im Vergleich zu der Unmenge an Signalen, die eben nicht aus diesen beiden Richtungen kommen. Ohne Ingenieur zu sein, schätze ich mal, dass der immense technische und finanzielle Aufwand für die Konstruktion eines Tetraeders sich nicht lohnen würde, nur um diese beiden Richtungen auch noch abzuhorchen.

Spartanisches schrieb:

Ja, für Gravitationswellen, die exakt senkrecht auf den Detektor treffen, müsste er blind sein.

Wieso nur "Exakt senkrecht"? Ich würde stark annehmen das das Signal-Rausch Verhältnis schon eher zu schlecht wird um noch was sehen zu können weil die GW die Interferrometerarme nahezu gleichphasig trifft. Oder ist das bei Transversalwellen anders?

Das Signal-Rausch-Verhältnis(SNR) hatte ich nicht einbezogen, sondern bin in meiner Überlegung von idealen Messbedingungen ausgegangen. Okay, nehmen wir das SNR hinzu, so ergibt sich jeweils zu beiden Seiten des Dreiecks ein Kegel, in dem LISA blind wäre, richtig? Je nachdem, wie genau man Wellen signifikant vom SNR trennen kann, sind die beiden Kegel größer oder kleiner.

Trotzdem ändert das nichts grundsätzlich an meiner Überlegung. Es bleibt außerhalb der Kegel noch genug Raum zum Empfang der Signale übrig. Zudem kreist LISA auch noch um die Sonne, so dass sich auch die Blindspots verschieben.

Oder habe ich hier einen Denkfehler drin?