LISA Pathfinder overtreft verwachtingen

In een artikel dat vandaag verschijnt in Physical Review Letters, toont het team van LISA Pathfinder (LPF) aan dat de twee testblokjes ten opzichte van elkaar vrijwel niet bewegen. De gemeten onderlinge versnelling is minder dan een tienbiljardste van de zwaartekrachtsversnelling op aarde (g). De succesvolle test maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van eLISA, een groot observatorium in de ruimte voor het waarnemen van zwaartekrachtsgolven, afkomstig van exotische objecten en verschijnselen in het heelal. eLISA gaat rond 2034 de ruimte in.

Het bestaan van zwaartekrachtsgolven werd 100 jaar geleden al voorspeld door Albert Einstein. Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd, die met de snelheid van het licht reizen en ontstaan door de versnelling van extreem zware objecten. Ze kunnen worden veroorzaakt door kosmische verschijnselen als supernova's, neutronendubbelsterren die om elkaar heen draaien en samensmeltende zwarte gaten. Maar zelfs deze extreem energierijke verschijnselen brengen maar zeer geringe rimpelingen in de ruimtetijd teweeg. Tegen de tijd dat ze de aarde bereiken verstoren de golven de ruimtetijd met minder dan een triljoenste procent.

Om zulke minieme rimpelingen toch te kunnen waarnemen hebben wetenschappers zeer geavanceerde technologieën nodig. Zwaartekrachtsgolven werden pas in september 2015 voor het eerst ontdekt door de LIGO-detector in de VS. Het LIGO-Virgo samenwerkingsverband zag een signaal van twee zwarte gaten, van respectievelijk 29 en 36 zonsmassa's, die samensmolten en een nieuw zwart gat van 62 zonsmassa's vormden. In de laatste 0,3 seconde voor de samensmelting werden 3 zonsmassa's omgezet in de zwaartekrachtsgolven die door LIGO werden geregistreerd.
"Het is fantastisch dat er na de spectaculaire ontdekking van LIGO alweer goed nieuws is voor het vakgebied," zegt Jo van den Brand, leider van het zwaartekrachtsonderzoek van Nikhef. "We kunnen niet wachten op de volgende ontdekkingen."

Laagfrequente trillingen
De signalen die LIGO opving, hadden een frequentie van ongeveer 100 Hz. Maar zwaartekrachtsgolven bestrijken een veel breder spectrum. Met name laagfrequente trillingen worden veroorzaakt door exotische verschijnselen als het samensmelten van twee superzware gaten. We vinden deze superzware gaten, die een massa hebben van miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon, in het centrum van sterrenstelsels. Wanneer twee sterrenstelsels botsen, smelten de twee zwarte gaten in het centrum gaandeweg samen. Tijdens de samensmelting produceren ze enorm veel energie in de vorm van zwaartekrachtsgolven, met een piek in de laatste paar minuten voor de definitieve samensmelting.
"eLISA geeft echt weer hele nieuwe kansen om fundamentele natuurkunde te bestuderen en om het ontstaan van structuur in het heelal te volgen," zegt Gijs Nelemans van de Radboud Universiteit en leider van het Nederlandse eLISA-consortium.

Om deze verschijnselen waar te nemen en volop gebruik te maken van het nieuwe venster op het heelal dat de zwaartekrachtsgolven bieden, is het cruciaal om zwaartekrachtsgolven met een lage frequentie (0,1 mHz-1 Hz) te meten. Dat betekent: minieme fluctuaties meten tussen objecten die zich miljoenen kilometers van elkaar bevinden. Dit kan alleen in de ruimte, met een observatorium dat geen last heeft van seismische en thermische verstoringen op aarde noch van de zwaartekrachtsruis van de aarde zelf. Detectoren op de grond hebben hier wel last van.

Sleuteltechnologie
LISA Pathfinder is ontworpen om de sleuteltechnologie voor een ruimteobservatorium te testen (eLISA). Een cruciaal onderdeel van de test is het met lasers continue meten van de positie van twee testblokjes die in vrije val, alleen onder invloed van de zwaartekracht, door de ruimte bewegen. Dat is zelfs in de ruimte extreem moeilijk omdat er allerlei factoren zijn - zoals de zonnewind en de druk van het zonlicht - die een verstorende werking hebben. Daarom heeft LISA Pathfinder twee identieke goud-platina blokjes (2 kg, 46 mm) aan boord, die op een afstand van 38 cm van elkaar door de ruimte vliegen, omgeven door maar niet in contact met het ruimtevaartuig dat de blokjes afschermt. Met lasers, bundelsplitsers en een reeks kleine spiegeltjes wordt heel nauwkeurig, tot bijna op atomair niveau, variaties in de afstand tussen de blokjes gemeten.

LISA Pathfinder werd 3 december 2015 gelanceerd en bereikte eind januari 2016 zijn beoogde positie, ongeveer 1,5 miljoen km van de aarde in de richting van de zon. De experimenten begonnen op 1 maart.
"De metingen hebben onze meest optimistische verwachtingen ruimschoots overtroffen," zegt Martijn Smit, die de SRON-bijdrage aan LPF coördineert. "Het LPF-team bereikte al op de eerste dag de benodigde precisie en in de weken daarna werd dit nog met een factor vijf overtroffen. Dat is echt een ongelooflijk knap resultaat en een mooi staaltje precisietechnologie."

Nederland
Nederlandse ingenieurs, natuurkundigen en sterrenkundigen zijn nauw betrokken bij beide missies. Ruimteonderzoeksinstituut SRON heeft in de aanloop naar de lancering testapparatuur ontwikkeld voor LISA Pathfinder. TNO heeft verschillende systemen getest en ontwikkeld, waaronder een systeem dat ervoor zorgt dat de laserbundels van eLISA exact op de goede plek terechtkomen. Zelfs over een afstand van 1 miljoen km.
Voor eLISA bundelen Nikhef, de Radboud Universiteit, Universiteit van Amsterdam, Universiteit Leiden, Rijksuniversiteit Groningen, Universiteit Twente, de Vrije Universiteit Amsterdam en SRON de krachten op wetenschappelijk gebied. Nikhef, TNO, NOVA en SRON werken samen in de technologieontwikkeling voor eLISA.

Referentie
Sub-femto-g free-fall for space-borne gravitational wave detectors: LISA Pathfinder results, Physical Review Letters, 7 juni 2016

Meer informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Gijs Nelemans, Radboud Universiteit, (024) 365 29 83
Martijn Smit, SRON Netherlands Institute for Space research, (088) 777 56 80
of met SRON-woordvoerder Frans Stravers, (06) 52 67 93 95.

Zie ook de ESA-media kit.