Geschichte
Gemäß der Relativitätstheorie kann sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Lokale Änderungen im Gravitationsfeld können sich daher nur nach endlicher Zeit auf entfernte Orte auswirken. Daraus folgerte Albert Einstein 1916 die Existenz von Gravitationswellen. Beim Durchlaufen eines Raumbereichs stauchen und strecken sie vorübergehend Abstände innerhalb dieses Raumbereichs. Das kann als Stauchung und Streckung des Raumes selbst betrachtet werden. Der erste Vorschlag, diese von der Wirkung her Erdbebenwellen vergleichbaren Effekte mittels eines im Weltraum stationierten Laser-Interferometers nachzuweisen, kam in den 1980er Jahren vom Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) der University of Colorado in Boulder. Das damals „Laser Antenna for Gravitational-radiation Observation in Space“ (LAGOS) genannte Projekt sah drei Satelliten in einer Sonnenumlaufbahn vor.
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1993 wurde die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) als Projekt der Europäischen Weltraumorganisation ESA vorgeschlagen. Bei diesem Konzept wären ursprünglich sechs, später drei Satelliten um die Sonne gekreist, deren Orbits wie bei den heutigen NetSat-Satelliten so gegeneinander versetzt gewesen wären, dass es für einen Beobachter so ausgesehen hätte, als ob sie umeinander rotierten. Die mit einem Michelson-Interferometer gemessene, von einer vorbeilaufenden Gravitationswelle hervorgerufene Abstandsänderung zwischen den Probemassen in antriebslosen Satelliten ist extrem klein. Gravitationswellen eines typischen Doppelsternsystems aus zwei Weißen Zwergen in einer Distanz von 50 Parsec erzeugen, wenn die Satelliten 1 Million Kilometer Abstand voneinander haben, eine periodische Änderung dieses Abstands von nur 10−10 m. Daher sah das ursprüngliche LISA-Konzept einen Abstand der Satelliten von 5 Millionen Kilometern vor.
Davon inspiriert, machten in den 2000er Jahren auch chinesische Wissenschaftler, Vorschläge für weltraumbasierte Gravitationswellen-Observatorien. 2008 begann die Chinesische Akademie der Wissenschaften, Machbarkeitsstudien für die verschiedenen Konzepte durchzuführen. Im Laufe der folgenden Jahre kristallisierten sich zwei Projekte als aussichtsreich heraus:
- Das 2012 vorgeschlagene Taiji-Projekt des Instituts für Theoretische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Wu Yueliang, 2007–2012 Direktor des Instituts. Der Name des Projekts leitet sich vom daoistischen Taiji-Symbol ab, das als abstrahierte Darstellung des Verschmelzens eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern gesehen werden kann, eines der Ereignisse, die Gravitationswellen auslösen. Wie bei LISA und seiner verkleinerten Version eLISA sieht das Konzept drei Satelliten vor, die in einer rotierenden Dreiecksformation auf Höhe der Erdbahn, der Erde folgend, um die Sonne kreisen. Mit Lasern zwischen je zwei Satelliten werden zwei unabhängige Interferometer gebildet, nach dem Prinzip interferometrischer Detektoren wie LIGO oder Virgo. Da Gravitationswellen sogenannte Transversalwellen sind, wie die Wellen auf einem Teich, in den ein Stein geworfen wurde, strecken und stauchen sie den Raum in unterschiedlichen Richtungen in unterschiedlicher Weise. Der Abstand zwischen den Probemassen in den Satelliten ändert sich in unterschiedlichem Maße und kann über die Phasenverschiebung der Laserstrahlen gemessen werden. Der Abstand der Taiji-Satelliten voneinander soll 3 Millionen Kilometer betragen. Während erdgebundene Detektoren wie LIGO oder Virgo mit einer Schenkellänge von einigen Kilometern ihre höchste Empfindlichkeit im Bereich von 1–1000 Hz haben, was sie ideal für die Beobachtung kleiner Schwarzer Löcher und kompakter Sterne macht, war das Taiji-Observatorium für niedrigere Frequenzen im Bereich von 0,001–0,1 Hz gedacht, um Himmelskörper von großer Masse oder solche, die weiter entfernt sind, zu beobachten. Durch die lange Armlänge brauchte die Messgenauigkeit des Interferometers nur in der Größenordnung von 1 pm zu liegen (zum Vergleich: die Messgenauigkeit von LIGO beträgt 10−6 pm). Die Kosten des Projekts wurden 2016 auf 14 Milliarden Yuan geschätzt.
- Im Jahr 2014 schlug Luo Jun (罗俊, * 1956), Gravitationsphysiker und Rektor der Sun-Yat-sen-Universität, ein einfacheres Konzept vor, das Tianqin-Projekt (天琴计划). Der Name, der übersetzt „Himmelszither“ bedeutet, bezieht sich darauf, dass Ereignisse wie das Verschmelzen schwerer Himmelskörper an der Struktur des Raumes zupfen wie ein Musiker an den Saiten einer Qin-Zither, und die Gravitationswellen breiten sich dann aus wie Schallwellen. Bei diesem Konzept kreisen drei Satelliten in einer Dreiecksformation mit einer Kantenlänge von 150.000 km um die Erde, etwas weniger als der halbe Abstand Erde–Mond. Anders als das Taiji-Observatorium, das Gravitationswellen von allen Arten von Himmelskörpern registrieren kann, ist die Himmelszither speziell für die Beobachtung des 490 Parsec entfernten Doppelsternsystem HM Cancri ausgelegt, das aus zwei Weißen Zwergen mit je einer halben Sonnenmasse besteht, die einander in einem Abstand von 80.000 km umkreisen. Die Kosten für dieses Projekt wurden 2016 auf 2 Milliarden Yuan geschätzt.
Am 14. September 2015 konnten Forscher der amerikanischen LIGO-Gruppe erstmals Gravitationswellen direkt messen, die bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstanden waren. Die Veröffentlichung der Entdeckung am 11. Februar 2016 verlieh der Gravitationswellenforschung in China neuen Auftrieb. Kaum eine Woche später, am 17. Februar 2016, veröffentlichte die regierungsnahe Tageszeitung China Daily ein Interview mit Hu Wenrui vom Institut für Mechanik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der am Taiji-Projekt in leitender Funktion beteiligt war. Zum damaligen Zeitpunkt hatte man beim Taiji-Projekt zwei Varianten ausgearbeitet. Die erste sah vor, die drei Satelliten wie geplant in China zu bauen und bis 2033 zu starten. Die zweite Variante, zu der unter der Leitung von Hu Wenrui bereits Vorgespräche mit der ESA stattgefunden hatten, sah vor, dass China keine eigenen Satelliten baute, sondern sich mit 20 % (damals 1,5 Milliarden Yuan) an den Kosten des europäischen eLISA-Observatoriums beteiligte, das 2035 in Betrieb gehen sollte.
Die Planungsarbeiten für das Taiji-Projekt wurden seit Februar 2016 aus dem Weltraumwissenschaftlichen Prioritätsprogramm der Chinesischen Akademie der Wissenschaften finanziert, das Tianqin-Projekt erhielt 300 Millionen Yuan von der Stadt Zhuhai, wo die Fakultät für Physik und Astronomie (物理与天文学院) der Sun-Yat-sen-Universität angesiedelt ist. Am 20. Dezember 2019 startete die Sun-Yat-sen-Universität vom Kosmodrom Taiyuan einen ersten Technologieerprobungssatelliten, Tianqin-1, und brachte ihn in eine sonnensynchrone Umlaufbahn von etwa 650 km Höhe. Nachdem die NASA, die nach einer ursprünglichen Beteiligung an LISA im Jahr 2011 ausgestiegen war, wieder Interesse an dem Projekt bekundet hatte, entschied sich die ESA im Januar 2017 für eine Zusammenarbeit mit dem transatlantischen Partner anstatt China. Daraufhin beschloss die Chinesische Akademie der Wissenschaften, das Taiji-Projekt wie ursprünglich geplant alleine durchzuführen. Das Projekt wurde nun, zusätzlich zum Weltraumwissenschaftlichen Prioritätsprogramm der Akademie, von der Nationalen Stiftung für Naturwissenschaften kofinanziert.
