LISA ruimtevaartuig voltooit baanbrekende gravitatiegolf observatietest

Met de LISA Pathfinder-missie kunnen we meteorieten, asteroïden, satellieten en de verschillende andere projectielen beter begrijpen met een onvoorstelbare snelheid rond de ruimte, maar het heeft één hoofddoel: het verifiëren van het potentieel om zwaartekrachtsgolven die door de ruimte bewegen te observeren en bestuderen. Meer dan 900.000 mijlen verwijderd van de aarde, nam het prototype ruimtevaartuig een gigantische stap dichterbij dat doel. In een nieuw artikel gepubliceerd in Physical Review Letters, het LISA-team onthult dat de vrij vallende tests van LPF een baanbrekend succes waren, waarmee de aanvankelijke verwachtingen werden overschreden en handelen met een precisie die meer dan vijf keer beter is dan oorspronkelijk vereist.

Toen het Europees Ruimteagentschap in december eindelijk het ultramoderne ruimtevaartuig lanceerde, wisten we bijna niets over zwaartekrachtsgolven - behalve een echt goed vermoeden dat deze rimpelingen in de ruimtetijd, die als eerste door Albert Einstein waren verondersteld, tenminste bestonden. Dan eigenlijk wetenschappers gevonden zwaartekrachtsgolven - met behulp van een paar ultragevoelige instrumenten hier op het aardoppervlak om de zeer zwakke gravitatiegolfsignalen te detecteren die waren geproduceerd door een paar enorme zwarte gaten die tegen elkaar botsten.

De ontdekking van LIGO was een zegen voor het LISA-project, omdat het vaststelde dat zwaartekrachtsgolven inderdaad waarneembaar waren. Natuurlijk was de ontdekking van LIGO een soort van "juiste plek in de juiste tijd" soort incident. Om gravitatiegolven echt te bestuderen en onszelf een blik te gunnen in hoe het universum er buiten het elektromagnetische spectrum uitziet, moeten we dit soort signalen bij lage frequenties kunnen observeren - misschien wel zo laag als 0,1 Hz. Dat betekent dat je een systeem nodig hebt dat in ruimtetijd kleine flikkeringen waarneemt over afstanden zo groot als een miljoen mijlen, zonder interferentie van seismische, thermische of terrestrische activiteit. Dat gaat niet gebeuren op aarde.

Einstein voorspelde de aanwezigheid van zwaartekrachtgolven toen hij zijn relativiteitstheorie ontwikkelde. "Een eeuw later zetten we hier de weg voor het eerste grootschalige zwaartekracht observatorium in de ruimte," vertelde Fabio Favata, het hoofd van het coördinatiebureau voor ESA's wetenschappelijk directoraat, de verslaggevers op een persconferentie dinsdag. Omdat zwaartekrachtsgolven ongehinderd door het universum bewegen, geven ze wetenschappers een kosmologische kijk op de wereld die transparant is. Favata vergeleek zwaartekrachtsgolven met de geluiden van het bos die aanwijzingen geven over wat er bestaat tussen de dichte struikgewas van planten van bomen - gehoord maar ongezien. De instrumenten die worden gebruikt om gravitatiegolven te vinden, zijn de microfoons die ons helpen om naar die geluiden te luisteren.

Wat kunnen gravitatiegolven ons precies laten zien over het universum? Hoewel er hoop is dat die signalen ons kunnen helpen om de sterrenpopulaties in galactische gebieden beter te karakteriseren, zou het grote voordeel zijn om zwarte gaten beter te begrijpen. Alles in de buurt vangen, inclusief lichte zwarte gaten, zijn een uiterst mysterieus fenomeen waarvan astrofysici weinig weten. Zwaartekrachtgolven kunnen uiteindelijk het soort informatie bieden dat we nodig hebben om een ​​vollediger beeld te krijgen van hoe een zwart gat eruit ziet, hoe het zich gedraagt, hoe het evolueert, enz.

Daarom zijn de nieuwste resultaten voor de LISA Pathfinder-missie zo belangrijk. In een ideaal scenario zouden wetenschappers gravitatiegolven in de ruimte detecteren door twee of meer objecten in de ruimte te lanceren en ze gescheiden te houden door honderdduizenden of zelfs miljoenen kilometers, en een laser af te vuren tussen die objecten die in staat zijn om zeer zwakke signalen op te nemen zoals zwaartekrachtsgolven.

Een project als dit vereist een enorme hoeveelheid tijd en middelen, dus u moet eerst het concept bewijzen voordat u daadwerkelijk met het experiment kunt beginnen. ESA-wetenschappers hebben dat concept in feite tot een enkel ruimteschip gekrompen - LISA Pathfinder. In het ruimtevaartuig zijn twee twee kilogram goud-platina-massa's opgenomen die in februari in een vacuümkamer zijn geloosd, waarbij de eerste werkdag vanaf 1 maart begint. De objecten liggen veel te dicht bij elkaar om een ​​zwaartekrachtsgolf te meten, maar met de LISA Pathfinder-omgeving kunnen wetenschappers bepalen of het mogelijk is voor deze objecten om een ​​perfecte vrije val te bereiken, waarbij hun beweging alleen door de zwaartekracht wordt beheerst. Een observatorium op grote schaal zou dezelfde soort validatie nodig hebben - die externe krachten zouden geen overmatige gravitationele invloed op de objecten vertonen.

LISA Pathfinder mat de relatieve versnelling tussen de twee objecten met behulp van een laserinterferometer die veranderingen op de schaal lager dan tien miljoenste van een miljardste van de aardse zwaartekrachtversnelling kon detecteren - wat overeenkomt met het gewicht van een virus op aarde. Dit is wat nog gekker is: interferentie "ruis" gemeten door het ruimtevaartuig was 100 keer lager dan wat ESA-wetenschappers verwachtten. Het vermogen om echte vrije val te meten is een belangrijke mijlpaal in de richting van grootschalige gravitatiegolfstudie in de ruimte, en zet het LISA-project nu op een kortere weg naar het uiteindelijke doel van het bouwen en lanceren van een waarnemingscentrum voor zwaartekrachtgolven.

ESA heeft een lanceringsjaar 2034 voorgesteld voor een grootschalig waarnemingscentrum voor zwaartekrachtgolven. Lasers meten fluctuaties in objecten die door miljoenen kilometers zijn gescheiden in drie ruimtevaartuigen die op een driehoekige manier zijn gehuisvest.