Wat is een gravitatiegolfdetector en waarom willen we er een in de ruimte?

Tegen het einde van dit jaar wil het European Space Agency (ESA) een demonstratiemissie uitvoeren die er toe kan leiden dat astrofysici het universum op een nieuwe manier kunnen bestuderen. Deze missie, die "LISA Pathfinder" is gedoopt, zal nieuwe technologie gaan testen om gravitatiegolven in de ruimte te detecteren.

Gravitatiegolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd. Ze zijn voorspeld in de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein, en alhoewel we al indirect bewijs van de golven hebben gezien zijn ze nog nooit direct waargenomen.

"We kijken nu al jaren door het elektromagnetische spectrum en daar hebben we enorme hoeveelheden informatie uit kunnen halen," vertelt Paul McNamara, wetenschapper bij de LISA Pathfinder missie, me.

Maar dat is niet het volledige plaatje. "Stel je je voor dat je vanavond televisie kijkt met het geluid uit," zegt Namara. Als we het universum zouden kunnen bestuderen met behulp van gravitatiegolven zou het zijn alsof we het geluid in het heelal aanzetten, dat voegt een nieuwe dimensie toe aan onze observaties.

Het observeren van het 'Ultrageweldadige' universum

McNamara geeft een voorbeeld van twee superzware zwarte gaten die samenkomen in het centrum van twee sterrenstelsels. Voorheen zou dat niet observeerbaar zijn geweest.

"De energie die vrijkomt in de vorm van gravitatiegolven tijdens de laatste minuten van de samenvoeging van slechts één paar superzware zwarte gaten is al te vergelijken met de totale energie van al het licht van alle sterren en sterrenstelsels in onze kosmos gedurende dezelfde tijd," schrijft de ESA op haar site.

"Tot nu toe hebben we dat nog nooit kunnen waarnemen, omdat we aan het kijken zijn door het elektromagnetisch spectrum. Onze beelden worden dan geblokkeerd door de tussenliggende stelsels - door stof en sterren," legt McNamara uit. "We zien nooit wat er in het centrum van het stelsel gebeurd."

"Met behulp van gravitatiegolven kunnen we nu recht door al dat stof en de rest heen kijken zodat we echt kunnen zien wat er gebeurd bij deze ultrageweldadige gebeurtenissen in het universum."

Meten met een precisie van picometers

Maar dat is nog vooruitlopend op de huidige missie. De LISA Pathfinder moet laten zien dat we de benodigde technologie kunnen bouwen, maar dan op iets kleinere schaal. De uiteindelijke LISA (Laser Interferometer Space Antenna) missie - die ook daadwerkelijk een functionele gravitatiegolfdetector zal hebben, staat pas op de planning voor 2034.

Het probleem is dat het meetbare effect van gravitatiegolven miniem is, ook al ontstaan ze uit de meest gewelddadige gebeurtenissen uit ons universum. "Het is zo'n klein effect, dat als we met een detector van één meter zouden meten we een effect moeten zien op een schaal van 10 tot de -21e meter," zegt McNamara. Dat is meerdere ordes van grootte kleiner dan de grootte van een enkel elektron. De oplossing van ESA? Bouw een detector van miljoenen kilometers lang. Dan hoeven ze nog maar een verandering van ongeveer "een miljoenste van een miljoenste" van een meter te meten. Ach, dat valt wel mee.

De effecten van de gravitatiegolven zullen gedetecteerd worden door minuscule veranderingen in de afstand tussen twee testmassa's te detecteren met behulp van laser interferometrie. Hoewel deze massa's wel een miljoen kilometer uit elkaar zullen liggen tijdens de LISA-missie, hoopt de LISA Pathfinder missie aan te tonen dat het mogelijk is zulke kleine metingen te doen. Daarom zal deze dan ook twee testmassa's op 38 centimeter van elkaar plaatsen. De truc is te laten zien dat twee massa's gerust door de ruimte kunnen vliegen terwijl ze hun positie in relatie tot elkaar behouden met een precisie tot op de picometer.

Het eerste natuurkundelab in de ruimte

Zoals je je kan voorstellen is het vooral een technische uitdaging. Om gravitatiegolven te ontdekken mogen de testmassa's absoluut door niks anders aan worden getast.

De LISA Pathfinder gebruikt twee kubussen met een goud en platinum legering van 4,6 cm als testmassa's. Deze legering wordt gebruikt vanwege zijn grote dichtheid én omdat het niet magnetisch is. Binnenin het ruimtevaartuig kunnen de kubussen vrij rondzweven; ze raken de binnenkant van het ruimteschip niet aan zodra ze in een baan zijn gebracht. Het schip rondom de massa's is er in feite alleen om andere soorten interferentie tegen te houden - we hebben het hier over kleine verstoringen door bijvoorbeeld fotonen van zonlicht - zodat ze in een vrije val in het vacuüm van de ruimte kunnen blijven, om slechts in bewegingen te worden gebracht door, je raad het al, gravitatiegolven.

"We weten dat we dat heel goed kunnen doen; we kunnen het echt isoleren van stralingsdruk, dat is niet zo moeilijk," zegt McNamara. "Het lastige is dat je een ruimteschip moet bouwen dat totaal geen innerlijke storingen of ruis veroorzaakt."

Dat betekent geen magneten, geen roestvrij staal (dat is ook magnetisch) en alles perfect balanceren zodat er geen externe zwaartekracht van de ruimteschip mee gaat spelen. "Van alles wat we op het vaartuig zetten weten we de exacte massa," zegt McNamara. "Als we met een kabel iets vasthouden, meten we de kabel voordat hij het schip op gaat, dan zetten we hem vast, snijden we af wat we niet nodig hebben, meten we dat weer en dan trekken we dat weer van het totaal af - zo weet je altijd precies wat je nog op je ruimtevaartuig over hebt."

Deze aanpak zorgt er eigenlijk voor dat de missie meer lijkt op een natuurkundelab dan op een astronomische missie, zegt McNamara. "Het zal het eerste natuurkundige laboratorium in de ruimte zijn."

De LISA Pathfinder wordt donderdag ingepakt voor transport naar de lanceerbasis in Frans-Guyana, waar hij rond het einde van het jaar gelanceerd zal worden. Het zal zo'n twee maanden duren voordat de baan bij het L1 Lagrange punt, op 1,5 miljoen kilometer afstand, tussen de aarde en de zon, in de uiteindelijke baan zal zijn gekomen. Zodra de kubussen in vrije val los worden gelaten zou er, als de technologie werkt als gepland, geen beweging tussen de twee moeten zijn. De testmissie is niet in staat ook daadwerkelijk gravitatiegolven te meten omdat de schaal te klein is.

Het vertrouwen van McNamara in de missie is onwrikbaar. "Ik heb er het volste vertrouwen in; Ik denk dat we allemaal verrast gaan worden omdat het zo goed gaat werken," zegt hij, waaraan hij toevoegt dat de tests op de grond zelfs met een grotere precisie dan benodigd konden worden voltooid.

"We beginnen in maart," voegt hij toe. "Ik verwacht dat we ergens in het midden van maart papers gaan schrijven om te zeggen 'hoe prachtig alles wel niet is.'"