Gigantisk trekant i rummet skal afsløre galaksesammenstød
Tyngdebølgedetektoren LISA skal bestå af tre satellitter forbundet med lasere over millioner af kilometer. Generalprøven gik over al forventning.
LISA tyngdebølger detektor ESA laser

De tre satellitter, der skal udgøre tyngdebølgedetektoren LISA, vil sende laserstråler til hinanden gennem 2,5 mio. km af det tomme rum. (Illustration: AEI/Milde Marketing/Exozet) 

Nu er der slukket for den europæiske satellit LISA Pathfinder, som blev sendt op i december 2015.

Satellitten har ladet høre fra sig fra sidste gang og er blevet parkeret på en rumkirkegård langt fra alting.

Men hos den europæiske rumorganisation, ESA, er forskerne ikke bedrøvede over, at missionen nu er slut. Den har nemlig været en stor succes og har banet vejen for et nyt og meget større rum-eventyr kaldet LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

LISA bliver en tyngdebølgedetektor bestående af satellitter, der sender laserstråler til hinanden.

Laserstrålerne gør det muligt at måle, om afstanden mellem satellitterne ændrer sig en smule, og hvis det er tilfældet, kan det skyldes tyngdebølger – små krusninger i selve rumtiden.

Historien kort
  • En europæisk tyngdebølgedetektor bestående af tre satellitter skal sendes ud i rummet i 2034.
  • Missionen LISA Pathfinder har vist, at vigtige dele af den nødvendige teknologi fungerer.
  • Danske forskere er med til at designe instrumenter til den kommende rumdetektor.

LISA er hevet ud af mølposen

En rumbaseret tyngdebølgedetektor kræver nogle solide teknologiske landvindinger, og LISA Pathfinder var netop designet til at vise, at vigtige teknologier til sådan en mission rent faktisk kunne fungere.

Man kan læse meget mere om eksperimentet i artiklen LISA Pathfinder: Nu sendes 4 kg guld og platin 1.500.000 km ud i rummet.

»LISA-missionen var skubbet lidt til side, blandt andet fordi amerikanerne ikke ville være med længere. Men nu, hvor nogle af de vigtigste nøgleteknologier er demonstreret med LISA Pathfinder, er LISA endelig blevet udvalgt af ESA,« fortæller Søren Møller Pedersen fra Institut for Rumforskning og Rumteknologi på Danmarks Tekniske Universitet (DTU Space).

Han håber, at Danmark kan bidrage til missionen og er selv med til at designe et instrument, som kan blive en helt essentiel del af LISA-misssionen. Mere om det senere.

2,5 millioner km imellem

Detektion af tyngdebølger åbner et helt nyt vindue til universet, men bølgerne er ekstremt svage og svære at opfange.

Først i slutningen af 2015 lykkedes det at måle tyngdebølger med detektorer i USA, og nu vil astrofysikerne også gerne have en detektor i rummet.

LISA kredsløb

LISA skal placeres i en bane om Solen, så detektoren så at sige følger efter Jorden. (Illustration: NASA)

ESA har nikket anerkendende til det forslag, som en arbejdsgruppe bestående af forskere fra hele verden har udarbejdet.

Det lyder på en tyngdebølgedetektor bestående af tre satellitter, der flyver i formation, så de udgør hjørnerne i en ligebenet trekant med sider på 2,5 millioner kilometer.

LISA bliver i stand til at opfange mange forskellige slags tyngdebølger, herunder en del, som aldrig ville kunne opfanges af landbaserede detektorer. Specielt vil LISA kunne detektere de krusninger i rumtiden, som stammer fra kæmpestore sorte huller, der smelter sammen.

Astronomerne vil måle det usynlige

Med LISA vil astronomerne blive i stand til at observere fænomener, andre former for teleskoper ikke kan indfange, og til forskel fra detektorer på Jorden bliver LISA følsom nok til at kunne måle tyngdebølger fra hele det observerbare univers.

Tyngdebølger gør os klogere

Astronomerne mener, at alle større galakser rummer et supermassivt sort hul i centrum, og når galakser støder sammen, kolliderer de sorte huller også.

Når tyngdebølger fra disse sammenstød kan måles, kan astronomerne blive meget klogere på sammenhængen mellem sorte huller og galaksernes udvikling siden big bang.

Dermed vil LISA også kunne se meget langt tilbage i tiden – helt tilbage til dengang, de allerførste sorte huller blev dannet.

Når neutronstjerner eller mindre sorte huller, der stammer fra eksploderende kæmpestjerner, kredser rundt, stadigt tættere på et stort sort hul, udsendes der også tyngdebølger, som LISA vil kunne opfange. På den måde vil astronomerne få information om, hvad der foregår tæt på de supermassive sorte huller.

Små sorte huller og neutronstjerner, der kredser tæt om hinanden, udsender også målbare tyngdebølger, og med LISA kan man finde ud af, hvor mange sådanne systemer, der findes i Mælkevejen.

Det er ikke underligt, at astronomerne glæder sig, for udover de forventede opdagelser er der også en god sandsynlighed for, at vi finder ud af noget helt nyt og uventet om universet.

Gik bedre end forventet

Med LISA Pathfinder har ESA demonstreret, at der er styr på en række vigtige teknologier, der er nødvendige, hvis en rumbaseret tyngdebølgedetektor skal fungere.

LISA Pathfinder

LISA Pathfinder var en stor succes, for den viste, at det er muligt at få testobjekter til at flyve helt frit. (Illustration: ESA/D. Ducros)

Missionen har vist, at det er muligt at få test-objekter til at flyve helt frit i rummet, fuldstændig upåvirket af omgivelserne, og at foretage målinger på dem.

Inde i LISA Pathfinder har to terninger af guld og platin udelukkende fulgt den kurs, som rumtidens krumning har udstukket. Imens er afstanden mellem dem blevet målt med en uhyre stor præcision ved hjælp af lasere, og eksperimentet er gået bedre, end forskerne turde håbe.

»Målingerne udført af dette første laserinterferometer i rummet var langt bedre, end vi havde forventet. Vi kan bestemme afstanden mellem to testmasser i frit fald med en præcision, der svarer til mindre end diameteren af et atom,« som professor Gerhard Heinzel fra Albert Einstein-instituttet ved Leibniz Universität Hannover siger det i en pressemeddelelse fra universitetet.

Ekstrem præcision er nødvendig

Hvis man skal gøre sig håb om at måle tyngdebølger, skal præcisionen netop være ekstremt stor.

Mens LISA-rumskibene er 2,5 millioner km fra hinanden, skal man kunne måle ændringer i afstanden mellem dem på få milliontedele af en mikrometer.

LISA tyngdebølgedetektor

Når LISA er på plads i rummet, vil det vise sig, om detektoren fungerer som håbet og opfanger et væld af tyngdebølger. (Illustration: NASA)

Man skal desuden være sikker på, at ændringerne skyldes tyngdebølger og ikke andre påvirkninger som for eksempel fotoner fra Solen, der skubber til satellitterne.

LISA Pathfinder har netop vist, at man kan isolere testmasserne fra resten af satellitten, så præcisionen bliver høj nok.

Laserstråler skal sammenlignes

Fra hver LISA-satellit vil der bliver udsendt laserstråler mod de to andre satellitter. Laserstrålerne vil:

  • Tilbagelægge de mange kilometer.
  • Blive reflekteret af de frit flyvende testobjekter, som de to andre satellitter hver rummer to af.
  • Vende tilbage til udgangspunktet.

I hver satellit kan de to tilbagevendende laserstråler nu sammenlignes.

Hvis en kraftig tyngdebølge er passeret, vil afstanden mellem satellitterne være blevet ændret en ganske lille smule, og det ville kunne aflæses i laserstrålerne, når man så at sige lægger dem sammen.

Lysbølgerne vil forstærke eller udslukke hinanden anderledes, end det ellers ville have været tilfældet.

Det er princippet i laserinterferometri, som danner grundlaget for de ekstremt præcise afstandsmålinger.

Fasemetre afgør sagen

For at måle forskellen mellem faserne af lyset fra de to laserstråler skal man bruge et fasemeter – eller rettere tre, et til hver satellit.

Sådan et instrument har forskerne udviklet på Albert Einstein-instituttet i Hannover i Tyskland, og det arbejde har Søren Møller Pedersen fra DTU været involveret i.

Indtil videre har dette fasemeter kun fungeret i laboratoriet i Hannover, men nu skal det gøres klar til flyvning, fortæller Søren Møller Pedersen:

»Nu vil vi gerne videreudvikle fasemeteret, der måler forskellen mellem de to laserstråler. Vi skal til at kigge på komponenter og finde en struktur, der kan holde til at komme i rummet. Specielt skal vi se på de termiske forhold, for temperaturen af fasemeteret skal holdes helt konstant. Ellers kommer der termisk støj, der kan forstyrre målingerne,« fortæller han.

Der er god tid til at forbedre udstyret til de 3 LISA-satellitter, for de bliver sandsynligvis først sendt op i 2034.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud