NASA bouwt telescopen voor de LISA-missie

Enkele van de meest cataclysmische en mysterieuze gebeurtenissen in het universum openbaren zich alleen door middel van zwaartekrachtsgolven. We hebben er enkele gedetecteerd met behulp van onze detectoren op de grond, maar de grootte van deze detectoren is beperkt. De volgende stap voorwaarts in de zwaartekrachtgolf-astronomie (GW) is een ruimtedetector: LISA, Laserinterferometer voor ruimteantennes.

Wanneer dichte objecten zoals zwarte gaten en neutronensterren om elkaar heen draaien en samensmelten, creëren ze zwaartekrachtgolven. Deze rimpelingen in de ruimtetijd, die Einstein in 1915 voorspelde, werden voor het eerst waargenomen in 2015 door LIGO (Laserinterferometer zwaartekrachtgolfobservatorium). En nu merkten we het Tientallen van hen.

Op de grond gebaseerde detectoren zoals LIGO hebben twee lange “armen” die haaks op elkaar staan. Een krachtige laserstraal wordt opgesplitst in twee identieke stralen die door elke arm of tunnel reizen, enkele kilometers uit elkaar. De stralen worden heen en weer gereflecteerd door de spiegels aan de uiteinden van de armen, en wanneer ze samenkomen, interfereren ze met elkaar. Wanneer een GW door de aarde gaat, vervormt deze de ruimtetijd. Hierdoor wordt de ene arm langer dan de andere, waardoor het interferentiepatroon in de bundels verandert.

De lengte van de armen beperkt de omvang van de GW's die LIGO kan detecteren en beperkt ook het soort fusies dat het kan detecteren. Het kan alleen GW's detecteren met frequenties hoger dan 10 tot 1000 Hz, die voortkomen uit de fusie van paren zwarte gaten (BH), de fusie van paren neutronensterren (NS's) en de fusie van gemengde paren BH's en NS's.

Lisa zal heel anders zijn. Het heeft niet dezelfde limieten als de armlengte. LISA wordt GW's eerste speciale ruimteobservatorium en zal bestaan ​​uit drie afzonderlijke ruimtevaartuigen die in een gelijkzijdige driehoek zijn opgesteld. De afstand tussen elk ruimtevaartuig zal 2,5 miljoen kilometer bedragen, wat betekent dat de lengte van LISA's armen 2,5 miljoen kilometer zal zijn.

De ESA/NASA LISA-missie is de volgende stap in de zwaartekrachtgolfastronomie (GW). Met zijn veel langere armen zal LISA laagfrequente golven van 0,1 MHz tot 1 Hz detecteren, waardoor onze zoektocht naar gigawatt en de gebeurtenissen die deze genereren wordt uitgebreid. Het zal GW's uit andere bronnen detecteren, zoals fusies van superzware zwarte gaten (SMBH), binaire witte dwergsystemen en systemen met extreme massaverhoudingen (EMRI's). (EMRI's zijn systemen waarin objecten zoals een zwart gat met stellaire massa of een witte dwerg zich in een SMBH-spiraal bevinden.)

Net als bij LIGO zal LISA ook dienen als laserinterferometer. Elke verandering in het laserinterferentiepatroon kan worden toegeschreven aan GW. LISA zal echter meer doen dan alleen gigawatt detecteren. Het kan andere eigenschappen in complexe GW-golfvormen bepalen, zoals de rotatie van het zwarte gat.

NASA is druk bezig met de missie, die pas in 2035 van start zal gaan. Ze gaven ons een eerste blik op een volledig prototype van de zes camera's waarop LISA zal worden gebaseerd.

“De twee telescopen aan boord van elk ruimtevaartuig zullen infraroodlasers zenden en ontvangen om hun metgezellen te volgen, en NASA levert ze alle zes voor de LISA-missie”, zegt Ryan DeRosa, onderzoeker bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. “Het prototype, genaamd de Engineering Development Unit Telescope, zal ons begeleiden bij het bouwen van de vluchthardware.”

Telescopen zijn ontworpen om stabiel te zijn over een breed temperatuurbereik, omdat nauwkeurigheid de sleutel tot succes is. Ze moeten veranderingen zo klein als picometers, of een biljoenste van een meter, tussen elk ruimtevaartuig detecteren. In tegenstelling tot LIGO kunnen de drie ruimtevaartuigen waaruit het systeem bestaat, niet op specifieke afstanden van elkaar worden gehouden. In de loop van elk jaar verandert de afstand ertussen dramatisch, en het systeem moet de veranderingen volgen om nauwkeurigheid te garanderen.

De dunne laag goud is sterk reflecterend in het infraroodbereik dat de LISA-laser zal gebruiken. Het vermindert ook de thermische absorptie en zorgt voor consistente reflectie over lange perioden. Goud is ook bestand tegen corrosie, beschermt de basislaag tegen aantasting en is thermisch stabiel.

LISA heeft nog een truc in petto: vrij zwevende kubussen of testblokken. Ze reflecteren laserstralen heen en weer tussen het ruimtevaartuig en vormen een belangrijk onderdeel van het detectiesysteem. Het zijn massieve kubussen van 46 mm, gemaakt van een goud- en platinalegering en wegen elk ongeveer 2 kg. De kubussen zijn zeer zuiver en hebben een homogene fysieke samenstelling. Ze zweven vrij in de elektrodebehuizingen in elk ruimtevaartuig. De kubussen dienen als referentiepunten voor het meten van GW.

ESA en NASA hebben al enkele LISA-componenten in de ruimte getest. In 2015 werd de Europese Ruimtevaartorganisatie gelanceerd Lisa's Pathfinder-missie. Ik heb een veel kleinere versie van een van de LISA-armen getest en ook kubussen getest. Het plaatste twee testmassa's in een bijna perfecte zwaartekrachtvrije val en liet hun beweging met ongekende precisie controleren en meten.

We hebben een lange weg afgelegd sinds Einstein het bestaan ​​van zwaartekrachtgolven voorspelde. Toen de eerste in 2015 werd ontdekt, opende dit een nieuw venster op het universum.

LISA zal dat venster wijd openzetten en gebeurtenissen die sterrenstelsels definiëren, zoals de fusie van superzware zwarte gaten, onthullen.