Het eerste experiment om zwaartekrachtsgolven vanuit de ruimte te meten heeft groen licht gekregen van de European Area Company (ESA).

De Laser Interferometer Area Antenna (LISA) zal de precieze timing gebruiken van laserstralen die zich over 2,5 miljoen kilometer van het zonnestelsel verplaatsen om op jacht te gaan naar gigantische rimpelingen in de ruimte-tijd, veroorzaakt door onder meer fusies van superzware zwarte gaten.

ESA maakte op 25 januari bekend dat de bouw van de miljardenmissie in 2025 zal beginnen, met een lancering gepland voor 2035. “Het is buitengewoon spannend”, zegt Valeriya Korol, astrofysicus aan het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Garching, Duitsland, en lid van de LISA-samenwerking. “Het zal een venster openen naar zwaartekrachtgolfbronnen die alleen LISA kan zien.”

Hoe zwaartekrachtsgolven enkele van de diepste mysteries van het heelal kunnen oplossen

De schaal van LISA betekent dat het zwaartekrachtgolven met een veel lagere frequentie kan waarnemen dan op aarde kan worden gedetecteerd. Hierdoor zal de missie fenomenen kunnen opmerken, zoals zwarte gaten die om elkaar heen draaien, die massiever zijn en verder uit elkaar liggen dan die waargenomen door de op de grond gebaseerde Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). ontdekte in 2015 voor het eerst zwaartekrachtsgolven.

Er is al een hele tijd aan de missie gewerkt. “De eerste keer dat ik een voorstel schreef voor LISA was 31 jaar geleden”, zegt Karsten Danzmann, leider van het LISA Consortium en directeur van het Max Planck Instituut voor Zwaartekrachtfysica in Hannover, Duitsland. Het experiment omvat het meten van de afstand die laserlicht aflegt tussen twee massa’s, miljoenen kilometers uit elkaar, met een nauwkeurigheid van een biljoenste van een meter. niets anders dan de ruimte-tijd zelf beïnvloedt de beweging van de massa. “Mensen vonden het belachelijk. Ik zei: ‘Wacht maar even.’”

Gouden Driehoek

LISA zal bestaan ​​uit drie identieke ruimtevaartuigen, elk met een zwevende kubus van goud en platina van 4,6 centimeter, die in een gelijkzijdige driehoekige formatie in een baan rond de zon vliegen. Het zal lasers gebruiken om de afstand tussen de kubussen in elk vaartuig zo nauwkeurig te meten dat het in staat zal zijn te bepalen wanneer zwaartekrachtgolven – subtiele golvingen veroorzaakt door versnellende massieve lichamen – de ruimte-tijd tussen hen uitrekken op de schaal van picometers. (Eén picometer is 10⁻¹² meter.) Andere subtiele verschuivingen in de signalen zullen LISA in staat stellen te bepalen waar de zwaartekrachtgolven vandaan komen. “Dit is bijna een sci-fi-achtig instrument”, zegt Korol.

Hoewel het lastig is om zulke nauwkeurige metingen over deze afstand te doen, is het in veel opzichten makkelijker om dit in de ruimte te doen dan op aarde, zegt Danzmann. “In de ruimte is er geen trilling, geen atmosfeer, geen trilling, je vliegt gewoon in een vacuüm.” Het moeilijke is om de technologie robuust genoeg te maken voor alle mogelijke situaties, zegt hij. “Je kunt daar niet zomaar een postdoc naar toe sturen om het te repareren.”

LISA zal gevoelig zijn voor zwaartekrachtgolven met golflengten tussen 300.000 kilometer en 3 miljard kilometer. Dit is langer dan die welke op aarde door LIGO zijn gedetecteerd en korter dan die welke zijn waargenomen door pulsar-timingarrays, onderzoeken die web beginnen met het gebruik van ‘baken’-sterren om zwaartekrachtsgolven in sterrenstelsels te observeren.

Aanvullende metingen

Al deze experimenten zullen verschillende verschijnselen waarnemen en complementaire gegevens opleveren, zoals radiotelescopen en instrumenten voor zichtbaar licht dat doen, zegt Danzmann. De kolossale schaal van LISA zal het mogelijk maken de zwaartekrachtsgolven te detecteren die worden geproduceerd wanneer superzware zwarte gaten samensmelten, evenals de signalen van systemen die zich in eerdere stadia van botsing bevinden dan LIGO kan zien. LISA zou ook volledig nieuwe fenomenen moeten kunnen vastleggen, zoals de spiraalvorming van botsende witte dwergsterren, die groter zijn dan zwarte gaten, en systemen waarin twee samensmeltende zwarte gaten een enorm verschillende massa hebben.

Gigantische zwaartekrachtgolven: waarom wetenschappers zo opgewonden zijn

Kosmologen hopen dat het experiment ook een achtergrondgeluid van zwaartekrachtsgolven zal kunnen detecteren die in het vroege heelal zijn ontstaan ​​– wat door de theorie is voorspeld – en misschien zelfs signalen van de eerste zwarte gaten, zegt Korol. Omdat LISA ook zal meten hoe ver weg de gedetecteerde bronnen zich bevinden, hopen wetenschappers dat de gegevens zullen helpen veranderingen in de uitdijingssnelheid van het heelal te meten.

China is ook van plan om in de jaren dertig een in de ruimte gestationeerde zwaartekrachtgolfdetector te lanceren. De ontwikkeling van LISA versterkt de argumenten voor een dergelijke missie, zegt Yue-Liang Wu, natuurkundige aan de Universiteit van de Chinese language Academie van Wetenschappen in Peking en hoofdwetenschapper voor het Taiji-project, een van de twee voorgestelde missies die worden onderzocht. De groups van Taiji en LISA hopen dat de missies elkaar zullen overlappen, zodat ze elkaar kunnen aanvullen in een “in de ruimte gebaseerd zwaartekrachtgolfdetectornetwerk”, zegt Wu.

Hij voegt eraan toe dat het groene licht van ESA voor LISA “een belangrijke mijlpaal is voor de wetenschappelijke gemeenschap”.