Zwaartekrachtgolven meten in de ruimte

In de LISA Pathfinder worden op 1,5 miljoen km van de aarde permanent de posities van twee vrij zwevende gouden kubussen gemeten. ESA

LISA Pathfinder, een ‘testmissie’ van het Europese ruimteagentschap ESA, is een groot succes. De eerste meetresultaten geven aan dat het geteste instrument – een zogeheten laser-interferometer – aanzienlijk beter presteert dan verwacht. Daarmee is het pad geëffend voor de toekomstige ruimtemissie eLISA, die vanaf 2034 ‘zwaartekrachtgolven’ moet gaan detecteren – minuscule rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd.

Belangrijke vernieuwing

Het meten van zwaartekrachtgolven is een belangrijke vernieuwing in de natuur- en sterrekunde. Het bestaan van zwaartekrachtgolven is in 1916 voorspeld door Albert Einstein. Einstein stelde de zwaartekracht voor als een vervorming van de ruimtetijd: hoe zwaarder een object, des te sterker die vervorming. En wanneer extreem zware objecten, zoals twee zwarte gaten, snel om elkaar heen draaien of botsen, zouden er kleine rimpelingen in de ruimtetijd moeten ontstaan. Deze leiden ertoe dat de afstanden tussen twee punten elders in de ruimte minuscule schommelingen vertonen.

Pas vorig jaar is het voor het eerst gelukt om zulke schommelingen te detecteren. Dat gebeurde met een grote laser-interferometer op aarde. De zwaartekrachtgolven werden in dit geval waarschijnlijk opgewekt bij een botsing tussen twee zwarte gaten met een relatief bescheiden massa (enkele tientallen zonsmassa’s).

De voorloper van eLISA, die op 3 december 2015 werd gelanceerd, is ‘geparkeerd’ op een plek 1,5 miljoen kilometer van de aarde, in de richting van de zon. Het cruciale onderdeel van de missie zijn twee testmassa’s – 46 millimeter grote kubusjes van goud en platina – die in vrije val zijn. Dat wil zeggen dat ze zijn overgeleverd aan de zwaartekrachten van de zon en de planeten van ons zonnestelsel. De afstand tussen de twee blokjes (38 cm) wordt voortdurend gemeten met een ingewikkeld systeem van lasers, spiegeltjes en elektronica.

ESA

De LISA Pathfinder sonde boven in de VEGA-raket vlak voor de lancering, november vorig jaar. ESA

Zelfs zonlicht

Om geschikt te zijn voor de detectie van zwaartekrachtgolven, moeten deze testmassa’s worden beschermd tegen invloeden van buitenaf. Zelfs zonlicht oefent krachten uit die hun beweging zodanig zou verstoren dat die detectie onmogelijk wordt gemaakt.

Voor dat doel zijn de blokjes ondergebracht in eveneens kubusvormige behuizingen die slechts enkele millimeters groter zijn dan zijzelf. Met behulp van stuurraketjes zorgt LISA Pathfinder ervoor dat de testmassa’s nooit in aanraking komen met hun beschermende omhulsel.

In een artikel dat vandaag in Physical Review Letters is gepubliceerd, schrijven wetenschappers dat gekozen opzet goed uitpakt. De metingen die in maart en april zijn gedaan, laten zien dat de beide blokjes vrijwel volmaakt in vrije val bewegen. Ze blijken ruim vijf keer zo goed te zijn afgeschermd tegen invloeden van buitenaf als vereist. En de laser-interferometer waarmee hun onderlinge afstand wordt gemeten, werkt zelfs meer dan honderd keer nauwkeuriger dan nodig is voor eLISA. Hij merkt afwijkingen op van minder dan de middellijn van een atoom (een tienmiljardste van een meter).

Enorme zwarte gaten

De eLISA-missie is gericht op de detectie van botsingen tussen zwarte gaten die miljoenen keren meer massa hebben. Om de zeer trage zwaartekrachtgolven die daarbij ontstaan te kunnen registreren, worden testmassa’s ondergebracht in drie ruimtesondes op onderlinge afstanden van een miljoen kilometer. Deze sondes zullen de aarde in driehoeksformatie op een afstand van ongeveer 50 miljoen kilometer in haar baan om de zon volgen.

    • Eddy Echternach