De European Space Agency is van plan een enorme zwaartekrachtgolfdetector in de ruimte te creëren

In 2015 konden internationale wetenschappers voor het eerst zwaartekrachtsgolven detecteren – 100 jaar na de algemene relativiteitstheorie die Albert Einstein in 1915 formuleerde. In zijn theorie voorspelde Einstein dat de ruimte zelf zou kunnen wiebelen, maar op extreem kleine schaal. een meting uitvoeren Zogenaamde zwaartekrachtgolven zijn zeer moeilijk waar te nemen.

Het signaal werd geregistreerd door twee detectoren van de Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in Hanford (Washington, VS) en in Livingston (Louisiana, VS). De twee observatoria liggen ongeveer 3.000 kilometer uit elkaar. Het licht arriveert op beide terminals met een vertraging van tien milliseconden. De exacte locatie van stellaire objecten kan worden bepaald met behulp van talrijke detectoren die over de aarde zijn verspreid, en bodemverstoringen zoals trillingen door verkeer of aardbevingen kunnen als mogelijke bron worden uitgesloten.

Maar dit is niet in tegenspraak met wat de European Space Agency (ESA) van plan is. Met de drie satellieten van het LISA-project (Laser Interferometer Space Antenna) willen ze een gigantisch ruimteobservatorium bouwen. Deze manen vormen een gelijkzijdige driehoek, waarbij elke rand 2,5 miljoen kilometer lang is.

MDR WISSEN sprak met Carsten Danzmann, directeur van het Max Planck Instituut voor Zwaartekrachtfysica en oprichter van het project. In tegenstelling tot telescopen als Hubble of James Webb zoekt LISA het universum niet af naar licht: “Het universum is donker, het grootste deel van de wereld is donker, en meer dan 99 procent van ons hele universum zendt geen licht uit, geen radiogolven, geen X-straling.” stralen, helemaal niets.” Lisa zal in plaats daarvan de oscillaties van het universum zelf meten: zwaartekrachtgolven die zich door de ruimte voortplanten.

‘Omdat zwaartekrachtgolven de ruimte vervormen – net als geluid. Het plant zich voort. Maar het is niet zomaar geluid dat zich voortplant; geluid is de ruimte zelf’, legt astrofysicus Danzmann uit. Omdat de ruimte ‘vervormd wordt door de zwaartekracht, dat wil zeggen door alles’ in dit universum.

Om zwaartekrachtgolven te kunnen horen is een soort microfoon nodig. In het geval van Lisa is dit een laserinterferometer waarmee met hoge precisie de superpositie van golven kan worden gemeten. Heel eenvoudig: het is een soort laser-vouwliniaal. Naast de ruimtevaart worden deze apparaten ook gebruikt in de geneeskunde of bij de productie van computerchips – overal waar nauwkeurige afstandsmetingen nodig zijn.

“Hoe groter de laserinterferometers zijn, hoe gevoeliger ze worden”, legt Dansmann uit. Het is echter niet alleen de gevoeligheid die telt, maar ook de frequentie. We kunnen ook zwaartekrachtgolven op aarde meten, maar alleen in het hoge frequentiebereik van enkele Hz tot enkele kilohertz.

Omdat alles op aarde trilt, is er altijd geluid. “Bij hoge frequenties kun je dit tot op zekere hoogte isoleren – dit heet trillingsisolatie”, legt Dansman uit. We kunnen echter alleen langegolfsignalen horen van objecten met een massa van enkele duizenden tot miljarden zonsmassa’s in het lage frequentiebereik, omdat ze erg langzaam zijn.

“Al het geluid op onze aarde wordt erger naarmate de frequentie lager is”, legt de expert uit. “Dit betekent dat we waarschijnlijk nooit zwaartekrachtgolven met frequenties lager dan één hertz vanaf de aarde zullen kunnen detecteren.” Als je wilt weten hoe het universum is ontstaan ​​en waaruit het is gemaakt, heb je enorme observatoria zoals LISA nodig en moet je de ruimte in. “Er is geen andere manier om het te doen.”

De drie satellieten zullen naar verwachting in 2035 met een Ariane 6-raket de ruimte in worden gelanceerd. Ze zullen een positie innemen op ongeveer 50 miljoen kilometer van de aarde en in een baan rond de zon draaien langs de baan van de aarde. Er is daar bijna niets. De satellieten daar zijn tenminste beschermd tegen het ruimteschroot van de aarde.

Een meteoriet kan echter wel in botsing komen met een van de satellieten. Er is geen back-upfunctie. Gelukkig worden alle rotsen in de gaten gehouden, zegt Danzmann. “We weten hoeveel het er zijn. Het is zo onbeduidend dat een van deze stukken over tien jaar een satelliet zal raken, dat we er niet eens over hebben nagedacht.”

Maar wat gebeurt er als dit stukje de laserstraal van twee LISA-satellieten kruist? Ben ik het signaal volledig kwijt? “Als er af en toe een meteoriet overheen gaat, bedekt hij hem [den Laserstrahl] Uit, dan donker. Na een paar milliseconden verdween de meteoor en keerde het licht weer terug. “Het maakt niet uit”, stelt Danzmann gerust. Bovendien is er niets dat het signaal significant kan verstoren, het enige dat kan gebeuren is dat er wat fotonen door de laserstralen vliegen – en volgens de ervaren deskundige kan dat ook zo zijn. gemakkelijk berekend.

Het probleem met lasermetingen op aarde is dat alles oscilleert. Om deze reden moeten deze bewegingen in balans zijn – en de moeilijkheidsgraad van deze bewegingen neemt toe naarmate de afstand tussen de zender en de ontvanger groter wordt. Maar niets trilt in de ruimte. Zodra de satellieten zich in de juiste positie bevinden en ‘ook op elkaar richten en de laserstraal heen en weer sturen’, worden ze met rust gelaten, legt Danzmann uit.

De interferometers zijn kleine blokjes van ongeveer vier centimeter groot. Sommige elektronische componenten produceren echter magnetische velden die interferentie met interferometers kunnen veroorzaken. “Daarom hebben we ervoor gezorgd dat we een metaal gebruikten dat geen magnetisch veld ziet”, zegt de astrofysicus. “Dit is een verbinding die voor 70 procent uit goud en voor 30 procent uit platina bestaat.” Deze hebben slechts een minimale magnetische gevoeligheid. Zelfs als er een magnetisch veld zou zijn, zou je het niet kunnen zien.

De eerste demonstratietest werd in 2015 uitgevoerd met de LISA Pathfinder-missie: “We lieten de massa vliegen, niet slechts twee en een half miljoen kilometer, maar slechts 38 centimeter. Ze konden geen zwaartekrachtgolven meten, maar dat konden ze wel zwaartekrachtgolven meten.” Laat al het andere zien.” De eerste gegevens van de huidige LISA-missie zullen waarschijnlijk in 2037 de aarde bereiken.

“Het mooiste cadeau zou zijn als ik nog leef. En als ik in Kourou ben als de missie begint en ik naar de raketlancering kan luisteren. En dan natuurlijk als we de gegevens krijgen”, hoopte hij in februari 1955. Astronauten geboren tijdens de LISA-missie. “Natuurlijk willen we allemaal luisteren, net als de wereld [das Universum] lijken. Maar we willen het nu niet te ver laten gaan. Voor mij is het voldoende dat je een paar miljoen zwarte gaten, neutronensterren of wat dan ook in de gegevens kunt detecteren.