Eenzame blokjes wachten op een gravitatiegolf

Gouden kubusjes op 1,5 miljoen kilometer van de aarde gaan zwaartekrachtgolven meten. Het werkt boven verwachting.

In de LISA Pathfinder worden de posities van twee zwevende gouden kubussen (boven) gemeten. De sonde is ‘geparkeerd’ op 1,5 miljoen kilometer van de aarde.

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. In een artikel dat dinsdag 7 juni in Physical Review Letters is gepubliceerd, schrijven wetenschappers dat de gekozen opzet van LISA Pathfinder goed uitpakt.

Het meten van zwaartekrachtgolven is een belangrijke vernieuwing in de natuur- en sterrenkunde. Het bestaan van zwaartekrachtgolven is in 1916 voorspeld door Albert Einstein.

Einstein stelde de zwaartekracht voor als een vervorming van de ruimtetijd. 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 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.

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 zouden verstoren, dat de 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.

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. Hij merkt afwijkingen op van minder dan de middellijn van een atoom.

De eLISA-missie is gericht op de detectie van botsingen tussen zeer zware zwarte gaten. 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