Ruimtesonde LISA Pathfinder doet het beter dan verwacht

De ESA is begonnen met de eerste tests van de ruimtesonde LISA Pathfinder, op zo'n 1,5 miljoen kilometer van de aarde. De sonde moet de weg voorbereiden voor een ruimte-observatorium dat uit twee of drie ruimtesondes bestaat, en dat zwaartekrachtgolven moet opsporen.
Een voorstelling van de LISA Pathfinder in de ruimte.

Wetenschappers dromen er lang van om een aantal detectoren in de ruimte te lanceren om zwaartekrachtgolven op te sporen, de rimpels in de ruimtetijd die voor het eerst voorspeld werden door Albert Einstein en die verleden maand voor het eerst op aarde waargenomen werden. 

Die droom is nu een stap dichter bij de verwezenlijking gekomen, met de eerste tests van de LISA Pathfinder. In die ruimtesonde wordt de technologie die nodig is voor het observatorium, voor het eerst in de ruimte uitgetest. Die technologie houdt in dat er lasers afgevuurd worden tussen twee metalen kubussen, die in vrije val verkeren in een vacuüm.

Het team dat werkt aan de missie, heeft aan "Nature" gezegd dat de eerste tests net zo goed verlopen als ze gehoopt hadden. Sinds 23 februari stuurt de ruimtesonde gegevens door en volgens Stefano Vitale overtreffen de resultaten zelfs de verwachtingen. "Alles werkt zoals we het ontworpen hadden", zei hij aan "Nature". "Dat is tamelijk magisch en je ziet het zelden in je carrière als experimenteel onderzoeker." Vitale is een fysicus aan de universiteit van Trento en een van de belangrijkste onderzoekers van het project.

"Ik denk dat we nu kunnen zeggen dat het principe gewerkt heeft", zei Paul McNamara, de projectonderzoeker voor de LISA Pathfinder missie. "We leven in een prachtige tijd."

"Ik heb mijn hele carrière gewijd aan deze onderneming, en jarenlang werd ons gezegd, werden we soms belachelijk gemaakt zelfs, dat zwaartekrachtgolven niet bestaan, of dat we ze nooit zouden vinden", zei hij aan BBC News. "Wel, nu hebben we ze gevonden, en we staan op het punt de volgende, grote stap te zetten om een project te bouwen dat ze in de ruimte zal kunnen opsporen."

Een voorstelling van de laser inferometer in de ruimtesonde. 

In het centrum van de LISA Pathfinder bevinden zich de twee test-massa's: twee identieke metalen kubussen.

De kubussen bevinden zich in vrije val op enkele millimeters van de zijkanten van hun behuizing. De afstand tussen de beide kubussen is 38 centimeter en ze zijn enkel met elkaar verbonden door laserstralen die constant hun positie opmeten.

Als de satelliet volledig in werking is, zullen micro stuwraketjes kleine koerswijzigingen uitvoeren, om de ruimtesonde gecentreerd te houden op een van de kubussen. Op die manier worden de twee kubussen geïsoleerd van alle externe en interne krachten behalve de zwaartekracht. Op die manier zullen ze in de meest precieze vrije val verkeren die ooit bereikt werd.

Lagere frequentie

Het European Space Agency (ESA) heeft de test, die zo'n 400 miljoen euro kost, gefinancierd, en het hoopt vanaf 2034 een project van 1 miljard te lanceren om op zoek te gaan naar zwaartekrachtgolven. Dat project, de Laser Interferometer Space Antenna of LISA, zou lasers heen en weer sturen tussen minstens twee, en liefst drie ruimtesondes, die miljoenen kilometers uit elkaar liggen. 

In elke ruimtesonde zou zich ook een metalen kubus in vrije val bevinden, die beschut is van alle invloeden behalve de zwaartekracht. Omdat zwaartekrachtgolven de ruimtetijd uitrekken en samendrukken, hopen de onderzoekers de voorbijtrekkende golven te kunnen waarnemen door met de lasers minuscule veranderingen in de afstand tussen de kubussen waar te nemen.

Door zijn enorme omvang zou zo'n detector in de ruimte in staat zijn om zwaartekrachtgolven te ontdekken met een lagere frequentie dan hier op aarde. De laser interferometers op aarde, zoals de Advanced Ligo in de VS, kunnen zwaartekrachtgolven opsporen die veroorzaakt worden door "kleinere" kosmische gebeurtenissen. Zo wist de Advanced Ligo het signaal op te vangen dat veroorzaakt werd doordat twee zwarte gaten, elk met een massa van zo'n 30 keer de zon, rond elkaar draaiden en samensmolten.

Een laser interferometer in de ruimte zoals LISA, zou objecten met een veel grotere massa kunnen najagen: reuzen zwarte gaten, met een massa van miljoenen keer die van de zon, die samensmelten wanneer sterrenstelsels op elkaar botsen bijvoorbeeld.

Ideaal zou zijn dat LISA uit drie ruimtesondes bestaat. Een laser interferometer met drie armen zou makkelijker de bron van de zwaartekrachtgolven kunnen lokaliseren.

Of LISA twee of drie armen zal krijgen, zal afhangen van het beschikbare budget. Momenteel laten de reglementen van de ESA slechts toe dat de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA voor maximaal 20 procent participeert in een project van de ESA. Mogelijk is een participatie van 50 procent van de NASA nodig om het hele project met drie armen te kunnen realiseren.

Sneeuwvlokje

De LISA Pathfinder kan zelf geen zwaartekrachtgolven opsporen, zijn missie is om op een veel kleinere schaal aan te tonen dat het ontwerp voor LISA werkt, en om de beperkingen ervan uit te testen. 

Dat doet men door twee "testmassa's", twee kubussen van een legering van goud en platina met een zijde van 4,6 centimeter en een gewicht van 2 kilogram, in een vrije val te brengen, los van elke invloed behalve de zwaartekracht, en vervolgens te zien of veranderingen in hun beweging tegenover elkaar, gemeten kunnen worden tot op een picometer nauwkeurig. Een picometer is 0,000 000 000 001 meter en kleiner dan een atoom. Een atoom is zo'n 100 tot 200 picometer groot, een atoomkern is een honderste van een picometer in diameter.

Om de kubussen in een optimale vrije val te houden, moet de Pathfinder hen beschermen van de druk van het zonlicht of van de impact van kleine micro-meteorieten. Om dat te doen, gebruikt de Pathfinder kleine stuwraketjes, die minieme hoeveelheden gas uitstoten om zo een kleine hoeveelheid stuwkracht op te wekken.

"De koude gasstuwraketten op de LISA Pathfinder zullen meestal vuren met een kracht die, op aarde, net genoeg zou zijn om een sneeuwvlok te beletten van te vallen", legde doctor Ralph Cordey uit aan BBC News. Cordey werkt voor Airbus Defence and Space in het Verenigd Koninkrijk, waar de ruimtesonde geassembleerd werd.

Ruis

Een belangrijk onderdeel van de tests zal eruit bestaan vast te stellen welke "ruis" de resultaten van de experimenten ongetwijfeld zal beïnvloeden. Een aantal bronnen van die ruis zullen ongetwijfeld te vinden zijn in de elektronica van de ruimtesonde zelf, en er zijn ook fysieke factoren die de kubussen uit hun vrije val zouden kunnen brengen. Een van die factoren zouden bijvoorbeeld kleine veranderingen in de temperatuur in de ruimtesonde kunnen zijn, en ook de nauwelijks merkbare invloed van de zwaartekracht die door de massa van de ruimtesonde zelf wordt uitgeoefend.

Weten waar de ruis vandaan komt, wordt essentieel voor het ontwerpen van het volledige LISA-observatorium, dat in 2034 gelanceerd zou moeten worden. "Het belangrijkste doel van de missie, is niet zozeer te meten hoe goed we het wel doen, maar om te begrijpen hoe goed we het doen", zei Paul McNamara aan Nature.

Het succes van de Pathfinder-missie werd gezien als een voorwaarde om het observatorium te bouwen, waarvoor de ESA in 2013 de nodige fondsen had toegezegd. Maar vooraleer met zo'n ambitieus experiment te starten, vonden wetenschappers ook dat het wenselijk was dat zwaartekrachtgolven eerst al op aarde zouden waargenomen zijn. "Het ziet er naar uit dat aan die beide voorwaarden voldaan is in dezelfde maand", zei Vitale. De tests met de Pathfinder zijn op 23 februari begonnen en op 11 februari kondigde Advanced LIGO aan dat het zwaartekrachtgolven had opgevangen. "Het is werkelijk wel onze maand."

Een blik in de behuizing van een van de kubussen.