LISA: een uitdagend ruimtevaartproject van ESA
Als alles mag lopen zoals verhoopt draait er in 2037 een fantastisch nieuw Europees ruimtevaartproject baantjes in de ruimte: LISA.
LISA staat voor Laser Interferometer Space Antenna en het betreft een detector in de ruimte voor zwaartekrachtgolven.
Albert Einstein heeft de bal aan het rollen gebracht
Zijn algemene relativiteitstheorie beschrijft dat zwaartekrachtgolven mogelijks voorkomen en het ruimtetijdweefsel kunnen doen rimpelen. Een beetje zoals een wateroppervlak wordt verstoord wanneer je er een steen in gooit.
Maar klopt deze theorie? Immers, ten tijde van Einstein kon men dit niet verifiëren…
Mogelijke bronnen van zwaartekrachtgolven
Zwaartekrachtgolven ontstaan bij heftige gebeurtenissen in het universum. Zoals samensmeltende neutronensterren. Dat zijn uitgebluste sterren, die tijdens hun leven minstens drie keer de massa van de Zon hadden, en die nu nog uitsluitend uit neutronen bestaan. De dichtheid van zo’n ster is enorm: 1 cm³ van deze materie 'weegt' gauw een miljard ton. Ook komen neutronensterren vaak als tweelingen voor: hun rondedans gaat dan met een hallucinante snelheid. Volgens de relativiteitstheorie verliezen ze daarbij snelheid en naderen ze elkaar spiraalsgewijs. Dit resulteert in een gigantische klap. En dit proces brengt zodanige fluctuaties mee in het lokale zwaartekrachtveld dat een uitbarsting van zwaartekrachtgolven wordt gegenereerd, die naar alle richtingen in het universum uitdeinen.
Een andere oorzaak van gravitatiegolven zijn zwarte gaten. Deze objecten zijn eveneens gezegend met een verschrikkelijk hoge densiteit. Er zijn zwarte gaten waargenomen als koppel en ze kunnen elkaar zo intens 'knuffelen' dat ze tenslotte samensmelten. En dat geeft pas leven in de brouwerij! De zwaartekrachtgolven die bij deze samensmelting ontstaan zijn zo persistent dat ze van op een immense afstand te detecteren zijn. Weliswaar middels uitgekiende apparatuur.
Copyright afbeelding: ESA Science & Exploration
Het principe van een interferometer
Om zwaartekrachtgolven te detecteren wordt gebruik gemaakt van een interferometer. En meer bepaald de Michelson-interferometer: een lichtbundel wordt gesplitst in twee bundels die een verschillende weg doorlopen alvorens samen te komen en te interfereren. De doorgang van een gravitatiegolf veroorzaakt een minimale beweging van de spiegels, waardoor het interferentiepatroon op de detector wijzigt.
De optica leert ons dat hoe verder de afstand tot de spiegels, hoe gevoeliger het meetinstrument.
Het principeschema behelst:
- een coherente lichtbron, i.c. een laser;
- een bundelsplitser: een halfdoorlatende spiegel, die de bundel opdeelt in één doorgaande en één gereflecteerde straal.
Beide stralen worden door de spiegels teruggekaatst, vervolgens recombineert de bundelsplitser de gereflecteerde stralen die de detector bereiken.
Copyright: ESA Science & Technology
Wereldwijde samenwerking
Natuurkundigen moesten al lang niet meer overtuigd worden van het bestaan van zwaartekrachtgolven, maar ze konden die vooralsnog niet rechtstreeks waarnemen. Met de reusachtige detector LIGO - wat staat voor Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - is het mogelijk om zwaartekrachtgolven op te pikken. Als zo’n zwaartekrachtgolf onze planeet passeert, veroorzaakt die in de detector een duidelijke verstoring.
Tegelijkertijd werken technici in Europa, meer bepaald bij Pisa in Italië, aan de Virgo-detector, zeg maar de Europese tegenhanger van LIGO.
Virgo wordt beheerd door het European Gravitational Observatory (EGO), een samenwerkingsverband van de Italiaanse en de Franse overheid. In 2017, na het voltooien van een significante upgrade om de gevoeligheid te verbeteren, voegde Virgo zich bij de waarnemingsronde van LIGO. Dit was de eerste samenwerking ooit van drie vergelijkbare detectoren voor zwaartekrachtgolven, met name LIGO Hanford (Washington State), LIGO Livingston (Louisiana) en Virgo, bij Pisa (Italië).
Het is dankzij die genoemde upgrades, dat de nieuwe versies, “advanced LIGO” en “advanced Virgo”, een gevoeligheid bereiken die tien keer groter is dan de oudere versie.
“Een detector die tien keer gevoeliger is, zorgt ervoor dat we in elke richting tien keer verder kijken”, getuigde Chris Van Den Broeck, een Belgische natuurkundige die werkt op het Nationale Instituut voor Subatomaire Fysica in Amsterdam. Het instituut is nauw betrokken bij zowel het LIGO- als het Virgo-onderzoek. Chris Van Den Broeck staat onder meer in voor de data-analyse van het Virgo-project en is blij met de upgrades: “Net zoals alle golfverschijnselen zwakken ook zwaartekrachtgolven af naarmate ze zich verplaatsen doorheen het heelal. Die factor tien betekent uiteindelijk dat we uitzicht hebben op duizend keer zoveel bronnen van gravitatiegolven. Onze kansen verhogen dus aanzienlijk met de advanced LIGO en Virgo”.
GW170814: eerste detectie van een zwaartekrachtgolf door Virgo
Copyright afbeelding: LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration
Zo komt het dat binnen de drie weken nadat Virgo zich bij de waarnemingen had aangesloten, de Europeanen hun eigen eerste detectie mochten noteren. Daarenboven hielpen ze ook bij het lokaliseren van de bron van de eerste zwaartekrachtgolven die werden gedetecteerd door samensmeltende neutronensterren, een gebeurtenis die ook elektromagnetische straling onder de vorm van licht uitzond. Deze “Multi Messenger” primeur werd ook opgepikt door minstens een derde van alle professionele astronomen ter wereld.
Virgo blijft samen met LIGO bij de pinken tijdens verdere waarnemingsrondes.
Waarom is dit onderzoek belangrijk?
Sinds de mens zijn blik naar de sterren heeft gericht en aan astronomie is beginnen doen, is deze wetenschap uitsluitend gestoeld op licht, in al zijn vormen, om astrofysische verschijnselen waar te nemen en te bestuderen. Vele toestanden of gebeurtenissen in ons heelal zijn echter heel zwak of blijken helemaal onzichtbaar.
Zwaartekrachtgolven dragen een nieuw scala van informatie aan. Zwaartekracht in plaats van licht wordt gebruikt om dynamische astrofysische verschijnselen te meten. Het bestuderen van de gegevens uit zwaartekrachtgolven biedt enorme mogelijkheden voor het ontdekken van delen van het heelal die middels ander onderzoeksmethodes onzichtbaar zijn, denk maar aan zwarte gaten, aan de oerknal en eventueel andere, nog onbekende objecten.
De reikwijdte en de kwaliteit van metingen verbeteren is essentieel bij verder onderzoek om ons universum te kennen en te begrijpen. De zorg om de gevoeligheid van de interferometer alsmaar op te drijven is een rode draad door de historiek van de zoektocht naar gravitatiegolven. En hierbij betekent LISA een reuzenstap voorwaarts. Het instrument zal gestationeerd worden in een baan rond de Zon met armen van 2,5 miljoen kilometer lang. Ter vergelijking: de installaties op Aarde hebben armen van een paar kilometer. We verwachten van LISA dus een gevoeligheid om u tegen te zeggen en een loepzuiver signaal vrij van 'ruis', dat wil zeggen weg van allerlei storingen en trillingen van aardse oorsprong.
LISA zal ongetwijfeld onze kennis over het begin, de evolutie en de structuur van ons universum aanvullen. Laten we daar verder op ingaan…
LISA Pathfinder effent het pad
De missie LISA Pathfinder was bedoeld om de haalbaarheid te testen van de goede werking van het te lanceren ruimte-observatorium voor zwaartekrachtgolven. LISA Pathfinder werd geparkeerd bij het Lagrangepunt L1, dat zich op 1,5 miljoen kilometer van de Aarde in de richting van de Zon bevindt. De operationele fase begon op 1 maart 2016 en duurde tot 30 juni 2017.
Het ruimtetuig had een geavanceerde lading aan boord: het zgn. LISA Technology Package (LTP). Dit werd ontwikkeld en gebouwd door een consortium van Europese nationale agentschappen en ESA. De systemen werden geïntegreerd en getest onder toezicht van Airbus Defense and Space GmbH. Het volledige pakket werd ingebouwd in de ruimtesonde onder supervisie en controle van de industriële hoofdcontractant zijnde Airbus Defense and Space Ltd.
Het is duidelijk dat LISA Pathfinder gebruik maakte van zeer geavanceerde technologieën op het gebied van zwaartekrachtsensoren, elektrische voortstuwing en laserafstandsbepaling. Het doel van de missie was het valideren van de technologieën die nodig zijn om extreem kleine bewegingen te detecteren, een wetenschap die bekend staat als 'precisiemetrologie'. Zo kon LISA Pathfinder de technieken en de apparatuur testen om de relatieve beweging van twee vaste blokken die vrij in de ruimte zweven te detecteren met een nauwkeurigheid van 10 picometer (pro memorie: 1 pm = 10-12 m en atomen zijn zo ‘n 60 à 275 pm groot).
En dat is pico bello gelukt! De testresultaten overtroffen zelfs de verwachtingen. Geslaagd cum laude. Een pluim voor technologie en engineering uit Europa. En groen licht voor het grote werk: een observatorium in de ruimte dat met een ongekende precisie gravitatiegolven kan detecteren.
LISA Pathfinder gedissecteerd - Copyright afbeelding: ESA Science & Exploration
Het project LISA: de Laser Interferometer Space Antenna
Mede door dit succes van LISA Pathfinder hebben de onderzoekers van LIGO in januari 2024 een publiek bericht uitgestuurd aan ESA met gelukwensen voor de behaalde resultaten. Ook werden de internationale samenwerkingsverbanden, de goedkeuring van het project en de doelstellingen van de toekomstige missie in de verf gezet. Hier het nieuwsbulletin:
LIGO Congratulates LISA Mission Team
News Release • January 25, 2024
The LIGO Lab congratulates the LISA Mission on its successful ‘Adoption’ by the European Space Agency (ESA) on 25 January 2024. This key step allows the Mission to move to building the spacecraft and planning the launch and operation.
LISA, the Laser Interferometer Space Antenna, is a space-based gravitational-wave detector that focuses on lower frequency signals than the ones accessible to Earth-based detectors like LIGO, Virgo, and KAGRA. This is analogous to the split of optical telescopes (short wavelength) and radio antennas (long wavelength). While LIGO can see binary black hole systems up to hundreds of solar masses, LISA will look at binary black hole systems of millions and billions of solar masses, opening a new window on black hole and galaxy evolution. LISA is led by ESA, in partnership with NASA (the National Aeronautics and Space Administration) and with significant European nation contributions.
LISA is planned for a mid-2030’s launch and a mission extending a minimum of 4 years, extendable to 10 years. Next-generation terrestrial detectors like Cosmic Explorer and Einstein Telescope are planned for operation in the same epoch, and some sources will be seen in all detectors. Importantly, LISA’s orbit and long observation time of stellar-mass black holes will allow it to very accurately pinpoint the source position in the sky and estimate the time of coalescence. Since this will be months to years before the end phase, both terrestrial GW detectors and optical, radio, and particle telescopes can be primed to focus on that direction at the moment of coalescence to try to tease out additional information. By joining terrestrial gravitational wave detectors, LISA will facilitate multi-band gravitational-wave astronomy!
The LIGO Lab wishes the LISA mission a smooth path to launch.
Het LISA-instrument zal het eerste observatorium voor zwaartekrachtgolven zijn in de ruimte. De missie zal bestaan uit drie ruimtevaartuigen in een driehoekige configuratie met armen van 2,5 miljoen kilometer. Het geheel zal in een baan om de Zon bewegen, net zoals de Aarde. LISA zal zwaartekrachtmodulaties detecteren in het nog onontgonnen gebied tussen 0,1 mHz en 1 Hz, golven die niet gedetecteerd kunnen worden door detectoren op de grond zoals LIGO (USA), Virgo (EU) en KAGRA (Japan). Het zal zwarte gaten bestuderen die een miljoen of meer keer zwaarder zijn dan onze Zon, maar ook stellaire zwarte gaten die rond massieve zwarte gaten in galactische kernen wervelen en een groot aantal binaire en meervoudige compacte objecten in onze Melkweg. Alle ontdekkingen van LISA zullen nieuwe horizonten van het heelal blijven blootleggen en de revolutie van de zwaartekrachtgolven in de astrofysica, die door detectoren op de grond is begonnen, voortzetten.
Copyright afbeelding: NASA Public Domain
LISA in een notendop
- Primaire doelen: het waarnemen van laagfrequente zwaartekrachtgolven (van 0,1 mHz tot 0,1 Hz) en het bestuderen van de verschillende bronnen ervan vanuit de hele kosmos.
- Omloopbaan: drie ruimtevaartuigen, op een onderlinge afstand van 2,5 miljoen kilometer, in een heliocentrische baan op ongeveer 50 miljoen kilometer van de Aarde.
- Lancering: gepland in 2037.
- Operationele levensduur: geschat op vier jaar en mogelijke verlenging met zes jaar.
- Principe van de meting: de locatie van vrij zwevende referentievlakken in elke satelliet wordt continu en nauwkeurig gemeten met laserinterferometrie over de 2,5 miljoen kilometer lange 'armen'. Minuscule variaties (afwijkingen tot 10 pm werden door LISA Pathfinder waargenomen) veroorzaakt door een passerende zwaartekrachtgolf worden gedetecteerd en opgemeten.
Kerndoelen van LISA
- De vorming en de evolutie van compacte binaire sterren in het Melkwegstelsel bestuderen.
- De oorsprong, de groei en de fusiegeschiedenis van massieve zwarte gaten in de geschiedenis van het heelal traceren.
- De dynamica van dichte clusters onderzoeken.
- De astrofysica van zwarte gaten van stellaire oorsprong begrijpen.
- De fundamentele aard van zwaartekracht en zwarte gaten onderzoeken.
- De uitdijingssnelheid van het heelal analyseren.
- De achtergrond van 'toevallige' zwaartekrachtgolven begrijpen en wat hun implicaties zijn geweest voor het jonge heelal.
- Zoeken naar uitbarstingen van zwaartekrachtgolven en ontdekken van onvoorziene bronnen.
Werk aan de winkel
LISA zal de aard van de zwaartekracht zelf bestuderen door de golven te onderzoeken die voortkomen uit enkele van de meest massieve en extreme fenomenen in het heelal.
Terwijl hoogfrequente zwaartekrachtgolven ten gevolge van de samensmelting van zwarte gaten van stellaire massa en van neutronensterren tot op heden vanaf de Aarde zijn gedetecteerd zal LISA laagfrequente zwaartekrachtgolven detecteren. Hierdoor kunnen wetenschappers verschillende soorten bronnen onderzoeken, waaronder de samensmelting van superzware zwarte gaten in de kernen van sterrenstelsels.
Het LISA-observatorium scant continu de hele hemel vanuit de ruimte en, terwijl het de Aarde in haar baan volgt, verbetert het geleidelijk de lokalisatie van de bronnen van de zwaartekrachtgolven die het detecteert. De kosmos zal worden geobserveerd op elke schaalgrootte. Onze horizon zal worden verruimd tot de kosmische tijdperken voorafgaand aan de vorming van sterren en sterrenstelsels. En de opbouw van structuren tijdens de eerste honderd miljoen jaar van de geschiedenis van het heelal zal in kaart worden gebracht.
Een bespiegeling om mee af te sluiten
Terug naar af bij Albert Einstein, die zich ooit als gesetteld wetenschapper zou hebben laten ontvallen:
"One thing I have learned in a long life is that all our science, measured against reality, is primitive and childlike, and yet it is the most precious thing we have."
Tekst: Herman Schoups, maart 2024
Bronnen van inspiratie:
Wat zijn zwaartekrachtgolven? | EOS Wetenschap
LIGO - A Gravitational-Wave Interferometer | LIGO Lab | Caltech
Space GW observatory LISA advances to the construction phase - Virgo (virgo-gw.eu)