Towards an Advanced LISA Payload Architecture Featuring In-Field Pointing and Spherical Proof Masses

Kurzfassung

Die Vorhersage der Existenz von Gravitationswellen zu Beginn des 20. Jahrhunderts initiierte ein neues Aufgabengebiet innerhalb der beobachtenden Astronomie, da erwartet wurde, dass Gravitationswellen einen tiefen Einblick in unser Universum gewähren würden. Die erste direkte Detektion von Gravitationswellen durch die erdgebundenen LIGO Detektoren im Jahr 2016 – ein bedeutender Erfolg im Bereich der Gravitationswellenbeobachtung – bestätigte die ursprünglichen Vorhersagen und weckte das Interesse zur Entwicklung von verbesserten sowie neuen Gravitationswellendetektoren, die zu neuen Erkenntnissen über unser Universum führen sollen. Einer dieser neuen Detektoren ist die geplante LISA (Laser Interferometer Space Antenna) Mission, die ein großes Interferometer zur Observation von Gravitationswellen im Weltall aufspannen soll. Hierzu besteht LISA aus drei Satelliten, die in einer Dreiecksformation angeordnet sind und zwischen denen jeweils ein optischer Link gebildet wird. Das Detektionsprinzip von LISA basiert auf der interferometrischen (Laser-) Distanzmessung zwischen frei fliegenden Testmassen, die auf den drei Satelliten angeordnet sind. Diese Testmassen stellen die Endpunkte der Interferometerarme dar und ändern ihre relative Distanz zueinander, sobald eine Gravitationswelle die Satellitenformation durchläuft. Da die Amplituden von Gravitationswellen sehr klein sind (im Bereich von 10−21) und damit auch die relativen Distanzänderungen zwischen den Testmassen (im Bereich einiger weniger zehn pm), stellt deren Detektion eine große Herausforderung dar. Es ist geplant, dass LISA die heute verfügbare Frequenzbandbreite zur Detektion von Gravitationswellen, die durch die erdgebundenen Gravitationswellendetektoren abgedeckt wird, zu tiefen Frequenzen hin (zwischen 3 · 10−5 Hz − 1 Hz) erweitern wird. Hierdurch verspricht man sich die Beobachtung von neuen Gravitationswellen, die von bisher noch nicht detektierbaren Quellen ausgesendet werden. Im momentan vorgesehenen Nutzlastkonzept von LISA werden Änderungen im Winkel der Satellitenformation, die durch die individuelle Orbitalmechanik der Satelliten hervorgerufen werden und eine Strahlnachführung erfordern, durch eine aktive Ausrichtung der gesamten Teleskop-Einheiten kompensiert. Dieses Konzept der Strahlnachführung ist unter dem Namen "Telescope Pointing" bekannt. Während der Durchführung der LISA Missionsstudie wurde ein neues, alternatives Nutzlastkonzept entwickelt und theoretisch untersucht, welches das sogenannte "In-Field Pointing" als Schlüsselkonzept einer neuen Methode zur aktiven Strahlnachführung beinhaltet. Die im Zusammenhang mit diesem neuartigen Nutzlastkonzept entwickelte Instrumentenarchitektur bietet potentielle Einsparungen bei Gewicht, Volumen und Leistungsaufnahme, sowie auch eine potentielle Verbesserung der Messgenauigkeit des Messinstruments, im Vergleich zum Nutzlastkonzept mit "Telescope Pointing". Allerdings stellten sich bei der detaillierten Ausarbeitung dieses neuartigen Konzepts, vor allem unter Berücksichtigung der gegebenen Anforderungen an das Messinstrument, einige ungelöste technischen Aufgaben heraus. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei unterschiedlichen und potenziell limitierenden Aspekten bezüglich der Umsetzung dieses neuen LISA Nutzlastkonzepts inklusive "In- Field Pointing". Der erste dargestellte Aspekt ist Teil der detaillierten Untersuchungen zum benötigten Weitwinkelteleskop und behandelt im Speziellen die Änderung der optischen Pfad länge im Teleskop, die durch eine integrierte aktive Strahlnachführung und der damit verbunden Abtastung der Oberfläche der nachfolgenden Teleskopspiegel hervorgerufen wird. Dieser Effekt wurde anhand von experimentellen Messungen, sowie auch einem theoretischen Modell detailliert untersucht und dessen potentielle Auswirkung auf die Messgenauigkeit des LISA Messinstruments bestimmt. Der zweite Aspekt befasst sich mit einem neuartigen Konzept eines Inertialsensors für LISA, inklusive sphärischer Testmasse und einer vollständig optischen Auslesung. Dieses Konzept stellt eine elegante Lösung für einen hoch-präzisen Inertialsensor dar, der ohne eine elektrostatische Führung der Testmasse fungiert. Ein solcher Inertialsensor hat das Potential für eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit des LISA Messinstruments. Die präsentierten Untersuchungen behandeln im Speziellen die Entwicklung eines optischen Messaufbaus für Oberflächenmessungen an sphärischen Testmassen. Die erzeugten Messdaten dienen der Erstellung einer Oberflächenkarte, die benötigt wird um eine exakte Bestimmung des Schwerpunktes einer frei fliegenden und rotierenden Testmasse zu ermitteln. In diesem Teil der Arbeit werden auch die Messergebnisse der ersten, eindimensionalen Oberflächenmessungen entlang eines Großkreises einer Dummy-Testmasse gezeigt, die einen entscheidenden Schritt in Richtung einer vollständigen (zweidimensionalen) Vermessung der Testmassenoberfläche darstellen. Beide Themen wurden auf der Grundlage von experimentellen Oberflächenmessungen erarbeitet, die auf der Verwendung von hoch sensitiven, heterodynen Interferometern beruhen. Ein entscheidender Vorteil dieser Messmethode ist deren kontaktlose Natur, wodurch eine Beschädigung der untersuchten Oberflächen vermieden wird. Zudem besitzt diese Messmethode ein hohes Maß an Messgenauigkeit.