LISA Pathfinder test technologie voor observatie zwaartekrachtsgolven

Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd, waarvan het bestaan een eeuw geleden – op 2 december 1915 – werd voorspeld door Albert Einstein.

Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie zijn deze schommelingen in de ruimtetijd universeel en worden ze veroorzaakt door versnellende massieve voorwerpen. Ze zijn tot nu toe echter nog nooit direct waargenomen, omdat ze erg klein zijn.

De rimpelingen die door een tweetal cirkelende zwarte gaten wordt veroorzaakt zouden een liniaal met een lengte van een miljoen kilometer slechts met de grootte van één atoom uitrekken!

Technologie-test

LISA Pathfinder gaat tijdens zijn missie technologie testen waarmee deze tot nu toe nooit eerder waargenomen zwaartekrachtsgolven geobserveerd kan worden. De sonde bestaat in zijn kern uit twee identieke 46 millimeter grote kubussen van goud en platinum, die zich op 38 centimeter van elkaar bevinden.

 

De sonde moet ervoor zorgen dat er geen interne of externe krachten vat op de kubussen krijgen. Niets, behalve de zwaartekracht.

Tijdens de missie bevinden de twee kubussen zich in de meest pure vrije val die ooit in de ruimte door mensen is geproduceerd. Dankzij die pure vrije val kunnen de relatieve posities van de twee kubussen met verbazingwekkende precisie gemonitord worden.

Daarmee wordt het fundament gelegd voor zwaartekrachtsgolf-observatie in de ruimte.

De techniek die LISA Pathfinder tentoon gaat spreiden moet in toekomstige missies gebruikt gaan worden om de zwaartekrachtsgolven te observeren. Ook op aarde wordt gezocht naar deze ogenschijnlijk ongrijpbare kosmische boodschappers. Beide onderzoeken scheppen nieuwe mogelijkheden om de bijzondere golven te bestuderen.

LISA Pathfinders reis door de ruimte

ESA's LISA Pathfinder werd woensdagochtend naar de ruimte gebracht met behulp van een Vega-lanceerraket. Die begon om 05.04 uur Nederlandse tijd aan zijn klim naar de ruimte.

Ongeveer zeven minuten later, na loskoppeling van de eerste drie trappen, bracht de bovenste trap van de Vega-raket LISA Pathfinder in een lage baan om de aarde. Dit duwtje werd een uur en veertig minuten later opgevolgd door een tweede ontbranding.

Het ruimtevaartuig scheidde zich om 06.49 uur Nederlandse tijd van de bovenste trap van de Vega-raket. Knappe koppen bij ESA's operationele centrum in het Duitse Darmstadt namen de vlucht vanaf dat moment over.

Gedurende de komende twee weken zal het ruimtevaartuig zich steeds verder van de aarde bewegen. Daarvoor zijn zes kritieke ontbrandingen nodig.

De eerste ontbranding stuwt LISA Pathfinder richting zijn operationele locatie in een baan om L1, een virtueel stabiel punt in de ruimte op zo'n 1,5 miljoen kilometer afstand van de aarde.

Een miljardste millimeter

Verwacht wordt dat LISA Pathfinder half februari, zo'n 10 weken na de lancering van afgelopen woensdag bij L1 arriveert. Na een aantal laatste checks zal de sonde begin maart starten met zijn zes maanden durende wetenschappelijke missie.  

Op weg naar zijn baan om L1 zullen de vergrendelingsmechanismen die de twee kubussen aan boord van LISA Pathfinder op hun plek houden open gaan. Vanaf dat moment staan de kubussen niet meer fysiek in contact met de sonde en bevinden ze zich dus in een vrije val.

Een complex systeem van laserstralen stuitert vanaf dat moment tussen de twee kubussen op en neer. De lasers meten de vrije val van de kubussen tot een miljardste millimeter nauwkeurig, iets wat nog niet eerder is vertoond in de ruimte.

“Einsteins theoretische vondsten zijn nog steeds erg indrukwekkend”, vertelt ESA's algemeen directeur Johann-Dietrich Woerner. “Met LISA Pathfinder willen we het bewijs voor het bestaan van zwaartekrachtsgolven een stap dichterbij brengen.”

Niet alleen de kubussen, maar ook LISA Pathfinder zelf zal een actieve rol spelen tijdens het experiment. Na aankomst bij L1 zal de sonde zijn stuwraketten zo'n tien keer per seconde in- en uitschakelen. Zo zorgt de satelliet dat hij geen contact maakt met de kubussen. Op die manier schermt het ruimtevoertuig de kubussen af van krachten die het experiment zouden kunnen verstoren.  

Een fysica-lab in de ruimte

Als de missie van LISA Pathfinder succesvol is, kan de geteste technologie in de toekomst gebruikt gaan worden in een ruimte-observatorium dat speurt naar zwaartekrachtsgolven. Deze verstoringen in de ruimtetijd zijn naar verwachting slechts een paar tienden van een miljardste millimeter groot en dus moeilijk te detecteren.

“Zwaartekrachtsgolven zijn the next frontier voor astronomen”, weet Alvaro Giménez Cañete, hoofd van ESA's Science and Robotic Exploration-afdeling. “Al duizenden jaren lang kijken we naar het universum met behulp van zichtbaar licht en sinds de laatste eeuw gebruiken we daar ook de rest van het elektromagnetische spectrum voor. Door de voorspellingen van Einstein, slaan we een compleet nieuwe weg in.”

Veel uitdagingen
LISA Pathfinder zal dienst doen alseen fysica-lab in de ruimte. Zes maanden lang zullen missie-wetenschappers de data die de sonde naar aarde stuurt analyseren. Aan de hand van die data worden de experimenten voor de daarop volgende dagen gepland.  

“Na vele jaren ontwikkelen en testen op de grond, kijken we nu uit naar de ultieme test. En die kan alleen in de ruimte plaatsvinden”, verheugt LISA Pathfinder-projectwetenschapper Paul McNamara. “Binnen nu en een paar weken beginnen we met het ontdekken van de aard van zwaartekracht in de ruimte. Dat moet ons het vertrouwen geven om een grootschalig ruimte-laboratorium te bouwen.”

LISA Pathfinder werd gebouwd door een industrieel team dat onder leiding stond van Airbus Defence & Space Ltd. Airbus Defence & Space GmbH verzorgde het geïntegreerde LISA Technology Package en een consortium van Europese bedrijven en onderzoeksinstituten verzorgden diens subsystemen.

De Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA was daarnaast verantwoordelijk voor aanvullende hardware en software, die fysiek contact tussen de sonde en zijn testvoorwerpen moet voorkomen.

“De bouw van LISA Pathfinder bracht veel uitdagingen met zich mee”, concludeert LISA Pathfinder-projectmanager César Carcia Marirrodriga. “We zijn extreem blij om onze baanbrekende machine in de ruimte te zien, klaar voor zijn reis richting L1, waar het een weg vrij maakt voor nieuwe, toekomstige ruimtevaartprojecten.”  

Over de lanceerraket

De lancering van LISA Pathfinder was de laatste van vijf vluchten die de capaciteit en flexibiliteit van het Vega-lanceersysteem moesten aantonen. Vega is onderdeel van ESA's Verta-programma (Vega Research and Technology Accompaniment).

Gedurende de Verta-periode heeft Vega laten zien dat het ladingen in verschillende banen in de ruimte weet te brengen. Daarmee is aangetoond dat Vega ingezet kan worden voor missies van divers pluimage.

ESA was verantwoordelijk voor alle Verta-missies, waarbij het lanceersysteem telkens weer werd verfijnd en verbeterd.

De Vega-lanceringen in 2015 (IXV, Sentinel-2A en LISA Pathfinder) hebben aangetoond dat het Vega-lanceersysteem ingezet kan worden bij drie missies per jaar. Dat heeft vertrouwen gewekt bij klanten, waardoor Arianespacezijn leidende positie in dit marktsegment kan behouden.

Het Vega-lanceersysteem is nu volledig klaar voor commerciële exploitatie door Arianespace.