Physiker schaffen Grundlagen für präzisen Test des Einstein'schen Äquivalenzprinzips / Erstmals Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt
24.01.2017
Mit ultrakalten Quantengasen im Weltraum wollen Physiker das Gravitationsfeld der Erde vermessen, das Einstein'sche Äquivalenzprinzip einem präzisen Test unterziehen oder auch Gravitationswellen detektieren. Bei einem ersten Flug mit einer Höhenforschungsrakete konnten nun die notwendigen Technologien und experimentellen Schritte, die für solche Messungen erforderlich sind, geprüft werden. Dabei hat die Gruppe erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt und dessen Eigenschaften untersucht.
Dazu war die Forschungsrakete MAIUS-1 am 23. Januar 2017 um 3:30 Uhr mitteleuropäischer Zeit vom schwedischen Weltraumbahnhof Esrange zu einem ca. 15-minütigen Flug gestartet. Der Flug brachte die Nutzlast mit dem Experiment zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten aus Rubidium-Atomen und deren Nutzung für Präzisionsmessungen in bis zu 240 Kilometer Höhe. In der Schwerelosigkeit können ultrakalte Quantengase als hochpräzise Sensoren für z.B. die Gravitation eingesetzt werden, um zu vermessen, ob Objekte im gleichen Gravitationsfeld tatsächlich wie von den gängigen Theorien vorausgesagt gleich schnell fallen. Die Überprüfung des sogenannten Einstein'schen Äquivalenzprinzips kann in Schwerelosigkeit deutlich genauer erfolgen, als es auf der Erde möglich wäre. Die Forschergruppe unter Leitung der Leibniz Universität Hannover wird auf Mainzer Seite von Prof. Dr. Patrick Windpassinger vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) vertreten.
Während des viertelstündigen Flugs erzeugten die Forscher automatisiert alle zwei bis vier Sekunden ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium-Atomen – ein Zustand, bei dem die Atome eine Temperatur besitzen, die nur Bruchteile eines Grads vom absoluten Temperaturnullpunkt entfernt ist und die deshalb besonders gut kontrollierbar sind. Im Weiteren versetzten die Forscher das Kondensat mit Laserpulsen in einen sogenannten quantenmechanischen Überlagerungszustand. "Das bedeutet, dass sich die Atome gleichzeitig an zwei Orten befinden", erklärt Windpassinger, einer der Projektleiter des bundesweiten Forschungsverbunds. Mithilfe dieses Zustands lassen sich die auf die Atome einwirkenden Kräfte sehr präzise ermitteln.
Experimente zur Schwerkraft funktionieren auch auf der Erde, zum Beispiel mit Messungen in Falltürmen. Allerdings sind die möglichen Beobachtungszeiten in der Schwerelosigkeit sehr viel länger und die Messungen damit genauer.
Das Forschungsprojekt ist das Ergebnis von mehr als zehn Jahren Arbeit: "Es ist eines der technisch aufwendigsten Experimente, das je auf einer Rakete geflogen ist", so Windpassinger. "Das Experiment musste kompakt und robust genug sein, um den auftretenden Vibrationen während des Starts zu widerstehen, gleichzeitig aber klein und leicht genug, damit es auf der Rakete Platz findet."
Mainzer Physiker steuern Softwarealgorithmus für Lasersystem bei
Speziell für die Rakete MAIUS-1 entwickelten die Forscher in Mainz einen besonderen Softwarealgorithmus, der half, das Lasersystem des Experiments korrekt anzusteuern. Aber auch das Lasersystem selbst musste über Jahre hinweg aufwendig entwickelt, getestet und gebaut werden. Diesen Teil übernahm eine Gruppe der Humboldt-Universität zu Berlin und des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin um Prof. Dr. Achim Peters mit miniaturisierten Diodenlasern. Die Wissenschaftler der JGU entwickelten das Strahlaufteilungs- und Manipulationssystem in enger Zusammenarbeit mit der Gruppe um Prof. Dr. Klaus Sengstock von der Universität Hamburg. Das System basiert auf der speziellen Glaskeramik Zerodur der Schott AG, Mainz, und ist gegenüber Temperaturänderungen sehr stabil.
Nach der Entwicklung von Hard- und Software hängt die Durchführung noch von verschiedenen Unsicherheitsfaktoren ab. "Wenn man Pech hat, verschiebt sich der Raketenstart immer wieder um Tage oder sogar Monate – weil ein technisches Problem auftritt, das Wetter schlecht ist oder weil sich Rentierherden im Landebereich befinden", so Dr. André Wenzlawski, wissenschaftlicher Mitarbeiter aus der Gruppe um Prof. Dr. Patrick Windpassinger und für die Johannes Gutenberg-Universität Mainz beim Start in Schweden dabei. "Deshalb sind wir sehr glücklich, dass es nun geklappt hat." Für abschließende Erklärungen oder Ergebnisse ist es allerdings noch zu früh: Für die nächsten Jahre sind zwei weitere Raketenmissionen sowie Experimente auf der Internationalen Raumstation ISS geplant.
Die Höhenforschungsraketenmission MAIUS-1 wurde in einem Verbundprojekt zwischen der Leibniz Universität Hannover, der Universität Bremen, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Universität Hamburg, der Humboldt-Universität zu Berlin, dem FBH Berlin, der Technischen Universität Darmstadt, der Universität Ulm und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt. Die Finanzierung des Projekts erfolgt durch das Raumfahrtmanagement des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags.