Al bijna 100 jaar zoeken wetenschappers naar direct bewijs van het bestaan van zwaartekrachtsgolven in het weefsel van de ruimtetijd, voorspeld in de Albert Einsteins-theorie van algemene relativiteitstheorie. Tegenwoordig is de jacht op zwaartekrachtgolven een wereldwijde inspanning geworden waarbij honderden wetenschappers betrokken waren. In Europa, de Verenigde Staten en Japan zijn een aantal grote faciliteiten op de grond ontwikkeld, maar de meest verfijnde zoektocht zal binnenkort in de ruimte plaatsvinden.
Sprekend op dinsdag 5 april tijdens de RAS National Astronomy Meeting in Birmingham, zal professor Mike Cruise een gezamenlijk ESA-NASA-project beschrijven genaamd LISA (Laser Interferometric Space Antenna). Gepland voor lancering in 2012, zal LISA bestaan uit drie ruimtevaartuigen die in formatie rond de zon vliegen, waarmee het het grootste wetenschappelijke instrument is dat ooit in een baan om de aarde is geplaatst.
LISA zal naar verwachting de beste kans op succes bieden bij het zoeken naar de opwindende, laagfrequente zwaartekrachtgolven, zei professor Cruise. De missie is echter een van de meest complexe, technologische uitdagingen die ooit zijn ondernomen. Volgens de theorie van Einsteins worden zwaartekrachtgolven veroorzaakt door de beweging van grote massa's (bijvoorbeeld neutronensterren of zwarte gaten) in het heelal. De zwaartekrachtinvloed tussen verre objecten verandert naarmate de massa beweegt, net zoals bewegende elektrische ladingen de elektromagnetische golven creëren die radiosets en tv's kunnen detecteren.
In het geval van een zeer licht atoomdeeltje zoals het elektron, kan de beweging erg snel zijn, waardoor golven worden opgewekt met een breed frequentiebereik, inclusief de effecten die we licht en röntgenstralen noemen. Omdat de objecten die zwaartekrachtgolven genereren veel groter en massiever zijn dan elektronen, verwachten wetenschappers dat ze golven met een veel lagere frequentie zullen detecteren met perioden van fracties van een seconde tot enkele uren.
De golven zijn inderdaad erg zwak. Ze manifesteren zich als een afwisselend uitrekken en samentrekken van de afstand tussen testmassa's die zo zijn opgehangen dat ze kunnen bewegen. Als twee van dergelijke testmassa's een meter van elkaar verwijderd waren, zouden de zwaartekrachtsgolven van de momenteel gezochte kracht hun afstand veranderen met slechts 10e-22 van een meter, of een tienduizendste van een miljoenste van een miljoenste van een miljoenste van een meter.
Deze verandering in scheiding is zo klein dat voorkomen wordt dat de testmassa's worden verstoord door het zwaartekrachteffect van lokale objecten en het seismische geluid of trillen van de aarde zelf, een echt probleem is dat de gevoeligheid van de detectoren beperkt. Aangezien elke meter lengte in de afstand tussen de testmassa's afzonderlijk leidt tot de kleine veranderingen waarnaar wordt gezocht, leidt het vergroten van de lengte van de scheiding tussen de massa's tot een grotere algemene verandering die kan worden gedetecteerd. Als gevolg hiervan worden zwaartekrachtgolfdetectoren zo groot mogelijk gemaakt.
De huidige detectoren op de grond bestrijken afstanden van enkele kilometers en zouden in staat moeten zijn om de milliseconde perioden te meten van snel roterende objecten zoals neutronensterren die overblijven na stellaire explosies, of de botsingen tussen objecten in onze lokale galactische buurt. Er is echter een sterke interesse in het bouwen van detectoren om te zoeken naar de botsingen tussen enorme zwarte gaten die plaatsvinden tijdens fusies van complete sterrenstelsels. Deze gewelddadige gebeurtenissen zouden signalen genereren met zeer lage frequenties - te laag om te worden waargenomen boven de willekeurige seismische ruis van de aarde.
Het antwoord is om de ruimte in te gaan, weg van dergelijke storingen. In het geval van LISA vliegen de drie ruimtevaartuigen in formatie, 5 miljoen kilometer uit elkaar. Laserstralen die daartussen reizen, meten de scheidingsveranderingen veroorzaakt door zwaartekrachtgolven met een precisie van ongeveer 10 picometres (honderdduizendste miljoenste van een meter). Aangezien de testmassa's op elk ruimtevaartuig moeten worden beschermd tegen verschillende storingen die worden veroorzaakt door geladen deeltjes in de ruimte, moeten ze worden ondergebracht in een vacuümkamer in het ruimtevaartuig. De vereiste precisie is 1000 keer zo veeleisend als ooit tevoren in de ruimte en daarom bereidt ESA een testvlucht voor van het lasermeetsysteem in een missie genaamd LISA Pathfinder, die in 2008 moet worden gelanceerd.
Wetenschappers van de Universiteit van Birmingham, de Universiteit van Glasgow en Imperial College London bereiden momenteel de instrumentatie voor LISA Pathfinder voor in samenwerking met ESA en collega's in Duitsland, Italië, Nederland, Frankrijk, Spanje en Zwitserland. Wanneer LISA in een baan om de aarde draait, verwachten we het heelal te observeren door het nieuwe venster dat wordt aangeboden door zwaartekrachtgolven, zei Cruise. Naast neutronensterren en enorme zwarte gaten, kunnen we mogelijk de echo's van de oerknal detecteren door zwaartekrachtgolven die kleine fracties van een seconde uitzonden na de gebeurtenis die ons universum op zijn huidige evolutie heeft gestart.
Oorspronkelijke bron: RAS News Release
