‘Sci-Fi-instrument’ gaat op zoek naar gigantische zwaartekrachtsgolven in de ruimte

By | January 27, 2024

Een artistieke impressie van een LISA-missieruimtevaartuig. Drie van dergelijke satellieten zullen een driehoekige formatie vormen in een baan rond de zon.Fotocredit: NASA

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

De Laser Interferometer Space Antenna (LISA) zal de precieze timing van laserstralen gebruiken die zich over 2,5 miljoen kilometer van het zonnestelsel verplaatsen om te zoeken naar gigantische rimpelingen in de ruimtetijd, veroorzaakt door onder meer fusies tussen superzware zwarte gaten.

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

Dankzij de omvang van LISA kan het zwaartekrachtsgolven met een veel lagere frequentie waarnemen dan op aarde. Hierdoor zal de missie fenomenen kunnen detecteren 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), die in 2015 voor het eerst zwaartekrachtgolven ontdekte.

De missie duurde lang. “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. Het experiment meet de afstand die laserlicht aflegt tussen massa’s die twee miljoen kilometer uit elkaar liggen, met een nauwkeurigheid van een biljoenste van een meter, terwijl niets anders dan de ruimtetijd zelf de beweging van de massa’s beïnvloedt. “Mensen vonden het belachelijk. Ik zei: ‘Wacht maar.'”

Gouden Driehoek

LISA zal bestaan ​​uit drie identieke ruimtevaartuigen, elk met een zwevende kubus van 4,6 centimeter, gemaakt van goud en platina, die in een gelijkzijdige driehoeksformatie rond de zon draait. Het zal lasers gebruiken om de afstand tussen de kubussen in elk ruimtevaartuig zo nauwkeurig te meten dat het kan detecteren wanneer zwaartekrachtsgolven – subtiele rimpelingen veroorzaakt door de versnelling van massieve lichamen – de ruimte-tijd daartussen raken op de schaal van picometers. (Een picometer is 10−12 meter.) Andere subtiele verschuivingen in de signalen zullen LISA in staat stellen precies te bepalen waar de zwaartekrachtgolven vandaan komen. “Het is bijna een soort sciencefictionapparaat”, zegt Korol.

Hoewel dergelijke nauwkeurige metingen over deze afstand een uitdaging zijn, is dit in veel opzichten gemakkelijker in de ruimte dan op aarde, zegt Danzmann. “In de ruimte zijn er geen schokken, geen atmosfeer, geen trillingen, je vliegt gewoon in een vacuüm.” Het moeilijkste is om de technologie robuust genoeg te maken voor alle eventualiteiten, zegt hij. “Je kunt daar niet zomaar een postdoc naar toe sturen om het probleem op te lossen.”

LISA zal gevoelig zijn voor zwaartekrachtgolven met golflengten tussen 300.000 kilometer en 3 miljard kilometer. Dit is langer dan de gegevens die door LIGO op aarde zijn ontdekt en korter dan de gegevens die zijn waargenomen door pulsar-timingarrays, onderzoeken die net beginnen met het gebruik van ‘baken’-sterren om zwaartekrachtsgolven in het hele sterrenstelsel waar te nemen.

Aanvullende metingen

Al deze experimenten zullen verschillende verschijnselen waarnemen en aanvullende gegevens opleveren, net zoals radiotelescopen en instrumenten voor zichtbaar licht dat doen, zegt Danzmann. De kolossale omvang van LISA zal het mogelijk maken om de zwaartekrachtsgolven te detecteren die worden geproduceerd wanneer superzware zwarte gaten samensmelten, evenals de signalen van systemen in eerdere stadia van de botsing dan LIGO kan detecteren. LISA zou ook compleet nieuwe verschijnselen moeten kunnen detecteren, zoals de spiraalvormige beweging van botsende witte dwergen die groter zijn dan zwarte gaten, en systemen waarin twee samensmeltende zwarte gaten significant verschillende massa’s hebben.

Kosmologen hopen dat het experiment ook achtergrondgeluiden kan detecteren van zwaartekrachtsgolven die in het vroege heelal zijn gegenereerd (wat door de theorie werd voorspeld) en misschien zelfs signalen van de eerste zwarte gaten, zegt Korol. Omdat LISA ook zal meten hoe ver de ontdekte bronnen zich bevinden, hopen wetenschappers dat de gegevens zullen helpen bij het meten van veranderingen in de uitdijingssnelheid van het universum.

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 Academie van Wetenschappen in Beijing en hoofdwetenschapper van het Taiji Project, een van de twee voorgestelde missies die momenteel worden onderzocht. De teams 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.”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *