ESA op zoek naar gravitatiegolven
Men kan nooit met zekerheid nieuwe ontwikkelingen in de wetenschap voorspellen. Maar er is een goede kans dat er weldra een fundamentele doorbraak komt in de fysica. ESA wil immers het verschijnsel gravitatie grondig bestuderen.
De onderzoekers zullen verschijnselen in de ruimte onderzoeken die niet lijken overeen te stemmen met ons huidig begrip van gravitatie. Op deze manier hopen ze het universum beter te kunnen begrijpen.
De gravitatiekracht (of aantrekkingskracht) is één van de vier fundamentele krachten in de natuur. Gravitatie vormt het universum rond ons en zorgt ervoor dat planeten, sterren en sterrenstelsels kunnen ontstaan. Maar hoe meer geleerden gravitatie bestuderen en de gevolgen ervan op hemellichamen, hoe meer mysterieuze zaken ze tegenkomen. Een voorbeeld is de zogenaamde Pioneer-anomalie, genoemd naar de NASA-sondes Pioneer 10 en Pioneer 11, waarop het effect voor het eerst is waargenomen. De anomalie kwam aan het licht toen een aantal ruimtetuigen een onbekende kracht leken te ondergaan waardoor ze werden vertraagd. Hetzelfde verschijnsel is nu ook waargenomen bij de NASA-sonde Galileo en de ESA/NASA-ruimtesonde Ulysses.
Te veel gravitatie
Onderzoekers weten al een hele tijd dat er in het heelal 'te veel' gravitatie lijkt te zijn. Ze zien de gevolgen van gravitatiekrachten, maar niet hun oorzaak. Dit 'overschot' aan gravitatie wordt meestal aangeduid als het 'probleem van de ontbrekende massa', aangezien geleerden veronderstellen dat alleen massa gravitatie kan veroorzaken. Daarom denken ze dat het heelal grote hoeveelheden donkere materie bevat, die nog ontdekt moet worden. Maar wat als deze veronderstelling fout is?
Volgens sommige theorieën zou gravitatie op extreem grote afstanden een beetje harder 'trekken' dan vroeger werd gedacht. Op die manier zou het idee van donkere materie zelfs overbodig worden. Anderzijds zouden de anomalieën het gevolg kunnen zijn van een vijfde kracht in de natuur. Die zou bijzonder zwak zijn en zich alleen laten gevoelen in de verste regionen van de ruimte. De ruimte is een ideaal testgebied om de bestaande theorieën te bestuderen. In de gewichtloosheid van de ruimte kunnen onderzoekers de meest delicate krachten waarnemen en ze uiterst nauwkeurig meten.
Ambitieuze ESA-programma's
ESA ontwikkelt een reeks van ambitieuze experimenten en ruimtemissies om de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein te testen. Dit is de meest verregaande beschrijving ooit van gravitatie. Een van de belangrijkste doelstellingen is de waarneming van gravitatiegolven. De algemene relativiteitstheorie voorspelt hun bestaan maar tot nu toe werden ze nog niet waargenomen. Deze golven zouden door de ruimte bewegen zoals rimpelingen in een vijver. LISA is een gezamenlijk project van ESA en NASA en is de eerste ruimtemissie die zal proberen zulke gravitatiegolven te ontdekken als een ultieme test van de algemene relativiteitstheorie.
Een tweede doelstelling zal getest worden door de ESA-missies Gaia en BepiColombo. Daarbij zal nauwkeurig gemeten worden hoe materie de ruimte vervormt en zal gezocht worden naar elke afwijking in de hoeveelheid die door de algemene relativiteitstheorie wordt voorspeld. Microscope is een ESA-missie in samenwerking met de Franse ruimtevaartorganisatie CNES en is ontworpen om een idee uit de algemene relativiteitstheorie te testen dat het equivalentieprincipe heet. Volgens dit principe worden objecten door gravitatie altijd op dezelfde manier versneld, onafhankelijk van hun massa en chemische samenstelling. Als Microscope een afwijking van dit principe zou ontdekken dan zou dat de duidelijkste aanwijzing zijn van een nieuwe dimensie van gravitatie, bekend als kwantumgravitatie.
Uniek onderzoek
Kwantumgravitatie wil de algemene relativiteitstheorie van Einstein verzoenen met de kwantumfysica, de meest geavanceerde theorie die de fundamentele krachten in de natuur beschrijft, met uitzondering dan van gravitatie. Kwantumgravitatie veronderstelt dat de ruimte op de allerkleinste schaal een gegranuleerde structuur heeft, net zoals een strand bijvoorbeeld er van op een afstand gezien vlak en effen uitziet terwijl het eigenlijk uit zandkorreltjes bestaat. Momenteel wordt bij ESA de Hyper-missie bestudeerd. Die zou onder meer trachten de kwantumgegranuleerde structuur van de ruimte waar te nemen. ESA heeft ook de eerste stappen gezet voor een missie die nog verder in de toekomst de Pioneer-anomalie zou onderzoeken.
Met deze reeks missies zal ESA uniek onderzoek uitvoeren naar de echte aard van gravitatie. Dit zou wel eens de volgende fundamentele doorbraak kunnen betekenen op het vlak van onze kennis van het heelal.
ACHTERGROND
Gaia
Gaia zal een miljard sterren in ons melkwegstelsel waarnemen. Elk van de sterren zal gedurende een periode van vijf jaar ongeveer 100 keer worden waargenomen. Daarbij worden hun beweging en veranderingen in helderheid gemeten. Gaia zal gelanceerd worden met een Russische Sojoez-Fregat-raket tussen 2010 en 2012. Naar verwachting zal Gaia honderdduizenden nieuwe hemellichamen ontdekken, zoals planeten bij andere sterren en 'mislukte' sterren, die ook bruine dwergen worden genoemd. Binnen ons eigen zonnestelsel zou Gaia tienduizenden planetoïden moeten identificeren. Gedurende zijn waarnemingen zal Gaia ook heel nauwkeurig kunnen meten hoe materie de ruimte vervormt en het licht van sterren afbuigt. De sonde zal zoeken naar elke afwijking van de in de algemene relativiteitstheorie voorspelde waarden.
LISA
De Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is een gezamenlijke missie met de NASA. Daarbij zullen drie ruimtetuigen de 'rimpelingen' in de ruimte waarnemen, die ontstaan als gevolg van massieve zwarte gaten. Deze gravitatiegolven worden voorspeld in de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Tot nu toe werden ze nooit waargenomen en LISA is de eerste missie waarbij men ze vanuit de ruimte zal trachten waar te nemen. De lancering is voorzien in 2011.
BepiColombo
BepiColombo zal uit drie ruimtetuigen bestaan die de planeet Mercurius, die het dichtst bij de zon staat, als nooit tevoren zullen onderzoeken. Momenteel wordt de technologie voor dit project ontwikkeld en de lancering is voorzien voor 2011. Een deel van BepiColombo zal de planeet in kaart brengen, een ander onderzoekt het magnetisch veld en een derde element zal een landing op Mercurius uitvoeren om het oppervlak te bestuderen. BepiColombo zal onder meer in staat zijn nauwkeurig te meten hoe materie de ruimte vervormt en zal zoeken naar afwijkingen t.o.v. de in de algemene relativiteitstheorie voorspelde waarden. ESA is met haar programma's BepiColombo, Mars Express en Venus Express het enige ruimtevaartagentschap in de wereld dat momenteel plannen heeft om elke planeet in de binnenste regionen van het zonnestelsel te onderzoeken.
Microscope
Microscope of MICROsatellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence zal het equivalentieprincipe testen van de algemene relativiteitstheorie. Volgens dit principe ondergaan alle objecten, onafhankelijk van hun massa en samenstelling, dezelfde versnelling wanneer ze aan een gravitatieveld onderworpen worden. Microscope zal trachten uit te vissen of dit principe juist en overal geldig is. Als het principe geschonden wordt dan onthult het misschien een nieuw nog niet ontdekte kracht in de natuur. De sonde zal ons mogelijk de ware aard van gravitatie en de natuurwetten beter doen begrijpen. De lancering van Microscope in voorzien in 2005. Het gaat om een gezamenlijk project met de Franse ruimtevaartorganisatie CNES.
Informatie
Dr Michael Perryman
Senior Astrophysicist
ESA-ESTEC
Nederland
Tel.: +31 71 565 3615
E-mail: Michael.Perryman@esa.int
Science Programme Communication Service
ESA-ESTEC
Nederland
Tel.: +31 71 565 3223
E-mail: Monica.Talevi@esa.int
