Es ist eine aufregende Zeit für die Bereiche Astronomie, Astrophysik und Kosmologie. Dank modernster Observatorien, Instrumente und neuer Techniken kommen Wissenschaftler der experimentellen Überprüfung von Theorien näher, die noch weitgehend ungetestet sind.
Diese Theorien befassen sich mit einigen der drängendsten Fragen, die Wissenschaftler über das Universum und die ihm zugrunde liegenden physikalischen Gesetze haben – wie die Natur der Schwerkraft, der Dunklen Materie und der Dunklen Energie. Seit Jahrzehnten postulieren Wissenschaftler, dass entweder zusätzliche Physik am Werk ist oder dass unser vorherrschendes kosmologisches Modell überarbeitet werden muss.
Während die Erforschung der Existenz und Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie noch andauert, gibt es auch Versuche, diese Rätsel mit der möglichen Existenz neuer Physik zu lösen.
In einem aktuellen Artikel schlug ein Team von NASA-Forschern vor, wie Raumschiffe nach Beweisen für zusätzliche Physik in unserem Sonnensystem suchen könnten. Diese Suche, so argumentieren sie, würde dadurch unterstützt, dass die Raumsonde in einer Tetraederformation fliegt und Interferometer verwendet. Eine solche Mission könnte dazu beitragen, ein kosmologisches Rätsel zu lösen, das Wissenschaftlern seit über einem halben Jahrhundert verborgen bleibt.
Der Vorschlag ist die Arbeit von Slava G. Turyshev, einem außerordentlichen Professor für Physik und Astronomie an der University of California Los Angeles (UCLA) und Forschungswissenschaftler am Jet Propulsion Laboratory der NASA.
Zu ihm gesellten sich Sheng-wey Chiow, ein Experimentalphysiker am NASA JPL, und Nan Yu, eine außerordentliche Professorin an der University of South Carolina und leitende Forschungswissenschaftlerin am NASA JPL. Ihre Forschungsarbeit erschien kürzlich online und wurde zur Veröffentlichung angenommen Körperliche Untersuchung D.
Zu Turyshevs Erfahrung gehört die Tätigkeit als Mitglied des Missionswissenschaftsteams des Gravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL). In früheren Arbeiten haben Turyshev und seine Kollegen untersucht, wie eine Mission zur solaren Gravitationslinse (SGL) der Sonne die Astronomie revolutionieren könnte.
Das Konzeptpapier wurde 2020 vom Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programm der NASA mit einem Phase-III-Stipendium ausgezeichnet. In einer früheren Studie untersuchten er und der SETI-Astronom Claudio Maccone auch, wie fortgeschrittene Zivilisationen SGLs nutzen könnten, um Energie von einem Sonnensystem zum nächsten zu übertragen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Gravitationslinsen ein Phänomen sind, bei dem Gravitationsfelder die Krümmung der Raumzeit in ihrer Umgebung verändern. Dieser Effekt wurde ursprünglich 1916 von Einstein vorhergesagt und 1919 von Arthur Eddington zur Bestätigung seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) genutzt.
Doch zwischen den 1960er und 1990er Jahren führten Beobachtungen der Rotationskurven von Galaxien und der Expansion des Universums zu neuen Theorien über die Natur der Schwerkraft auf größeren kosmischen Skalen. Einerseits postulierten Wissenschaftler die Existenz von Dunkler Materie und Dunkler Energie, um ihre Beobachtungen mit GR in Einklang zu bringen.
Andererseits haben Wissenschaftler alternative Theorien der Schwerkraft entwickelt (wie die modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND), die modifizierte Schwerkraft (MOG) usw.). In der Zwischenzeit haben andere vermutet, dass es im Kosmos möglicherweise zusätzliche Physik gibt, die uns noch nicht bekannt ist. Wie Turyshev Universe Today per E-Mail sagte:
„Wir sind bestrebt, Fragen rund um die Geheimnisse der Dunklen Energie und Dunklen Materie zu erforschen. Trotz ihrer Entdeckung im letzten Jahrhundert sind ihre zugrunde liegenden Ursachen noch immer unklar. Sollten diese ‚Anomalien‘ auf neue Physik zurückzuführen sein – Phänomene, die bodengebunden noch beobachtet werden müssen?“ Labore oder Teilchenbeschleuniger – es ist möglich, dass sich diese neuartige Kraft im Maßstab des Sonnensystems manifestieren könnte.“
Für ihre neueste Studie untersuchten Turyshev und seine Kollegen, wie eine Reihe von Raumfahrzeugen, die in einer Tetraederformation fliegen, das Gravitationsfeld der Sonne untersuchen könnten.
Diese Untersuchungen, sagte Turyshev, würden nach Abweichungen von den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf der Skala des Sonnensystems suchen, was bisher nicht möglich sei:
„Es wird angenommen, dass sich diese Abweichungen als Nicht-Null-Elemente im Schwerkraftgradiententensor (GGT) manifestieren, was im Wesentlichen einer Lösung der Poisson-Gleichung ähnelt.
Aufgrund ihrer winzigen Natur erfordert die Erkennung dieser Abweichungen eine Präzision, die weit über die derzeitigen Möglichkeiten hinausgeht – und zwar um mindestens fünf Größenordnungen. Bei einem so hohen Genauigkeitsgrad führen zahlreiche bekannte Effekte zu erheblichem Rauschen.
Die Strategie beinhaltet die Durchführung differenzieller Messungen, um die Auswirkungen bekannter Kräfte zu negieren und so die subtilen, aber nicht von Null verschiedenen Beiträge zum GGT aufzudecken.“
Die Mission, sagte Turyshev, würde lokale Messtechniken einsetzen, die auf einer Reihe von Interferometern basieren. Dazu gehört die interferometrische Laserentfernungsmessung, eine Technik, die im Rahmen der GRACE-FO-Mission (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On) demonstriert wurde, einem Raumschiffpaar, das sich auf Laserentfernungsmessungen verlässt, um die Ozeane, Gletscher, Flüsse und Oberflächengewässer der Erde zu verfolgen.
Die gleiche Technik wird auch zur Untersuchung von Gravitationswellen mit der vorgeschlagenen weltraumgestützten Laser Interferometry Space Antenna (LISA) eingesetzt.
Das Raumschiff wird außerdem mit Atominterferometern ausgestattet sein, die den Wellencharakter von Atomen nutzen, um den Phasenunterschied zwischen Wellen atomarer Materie auf verschiedenen Wegen zu messen. Diese Technik wird es der Raumsonde ermöglichen, das Vorhandensein von nicht-gravitativem Rauschen (Triebwerksaktivität, Sonnenstrahlungsdruck, thermische Rückstoßkräfte usw.) zu erkennen und diese im erforderlichen Maße zu neutralisieren.
In der Zwischenzeit wird der Flug in einer tetraedrischen Formation die Fähigkeit der Raumschiffe optimieren, Messungen zu vergleichen.
„Die Laserentfernungsmessung wird uns hochpräzise Daten über die Entfernungen und Relativgeschwindigkeiten zwischen Raumfahrzeugen liefern“, sagte Turyshev.
„Darüber hinaus wird uns seine außergewöhnliche Präzision ermöglichen, die Rotation einer Tetraederformation relativ zu einem Trägheitsbezugssystem (über Sagnac-Observablen) zu messen, eine Aufgabe, die mit anderen Mitteln nicht zu bewältigen ist. Folglich wird dies eine Tetraederformation schaffen, die eine Reihe lokaler Funktionen nutzt Messungen.”
Letztendlich wird diese Mission GR im kleinsten Maßstab testen, woran es bisher schmerzlich gefehlt hat. Während Wissenschaftler weiterhin die Wirkung von Gravitationsfeldern auf die Raumzeit erforschen, beschränken sie sich dabei weitgehend auf die Verwendung von Galaxien und Galaxienhaufen als Linsen.
Weitere Beispiele sind Beobachtungen kompakter Objekte (wie Weiße Zwerge) und supermassereicher Schwarzer Löcher (SMBH) wie Sagittarius A* – das sich im Zentrum der Milchstraße befindet.
„Unser Ziel ist es, die Präzision beim Testen von GR und alternativen Gravitationstheorien um mehr als fünf Größenordnungen zu steigern.“
Über dieses Hauptziel hinaus verfolgt unsere Mission weitere wissenschaftliche Ziele, die wir in unserem nachfolgenden Artikel näher erläutern werden. Dazu gehören unter anderem die Prüfung von GR und anderen Gravitationstheorien, die Erkennung von Gravitationswellen im Mikrohertz-Bereich – ein Spektrum, das mit bestehenden oder geplanten Instrumenten nicht erreichbar ist – und die Erforschung von Aspekten des Sonnensystems, wie etwa des hypothetischen Planeten 9.“
Dieser Artikel wurde ursprünglich von Universe Today veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.