Opdateret 3/12 kl. 7:30: Opsendelsen af LISA Pathfinder gik godt, og missionen kan nu begynde.
En 30 meter høj rumraket blæser mod himlen fra den europæiske rumhavn i Fransk Guyana i Sydamerika.
I spidsen af raketten finder man et videnskabeligt rumfartøj uden sidestykke i historien. Et unikt fysikforsøg vil snart tage sin begyndelse.
Fartøjet hedder LISA Pathfinder, og det har til formål at teste den teknologi, der er nødvendig i en fremtidig, rumbaseret tyngdebølgedetektor. LISA Pathfinder skal bane vejen for en detektor, der indtil videre går under navnet eLISA – evolving Laser Interferometer Space Antenna.
»Det endelig mål er at måle forskydninger i picometerstørrelsen – en milliardtedel af en millimeter – over en million kilometer,« fortæller Søren Møller Pedersen fra Institut for Rumforskning og Rumteknologi på Danmarks Tekniske Universitet (DTU Space).
»Her på DTU har vi været med til at vise, at det godt kan lade sig gøre. Vi har været med til at bygge et lasersystem, som stort set lever op til de krav, der stilles til en rumbaseret tyngdebølgedetektor.«
Små krusninger i rumtiden
Tyngdebølger er små krusninger i selve rumtiden. De opstår, når masser accelererer i forhold til hinanden.
For eksempel udsendes der tyngdebølger, når to sorte huller eller neutronstjerner – uhyre kompakte objekter i verdensrummet – kredser tæt omkring hinanden.
Tiden og rummet ændrer sig en smule, hvor tyngdebølgerne når frem, og med det rette udstyr burde det være muligt at detektere dem. Det er ikke lykkedes endnu, for ændringerne af rumtiden er ekstremt små.
Hvis man vil måle en tyngdebølge, skal man være i stand til at måle afstande med ekstremt stor præcision, for det er ikke ret meget, rumtiden påvirkes af en forbipasserende tyngdebølge.
Har man en detektor, der er nogle få kilometer lang, skal man kunne måle, om den pludselig ændrer længde med det, der svarer til en titusindedel af diameteren af en atomkerne.
Detektorer findes på landjorden
Det er svært, men det burde ikke være helt umuligt, hvis man tager laserstråler i brug. I USA har forskerne netop opgraderet to tyngdebølgedetektorer, der begge har to fire kilometer lange arme, der står vinkelret på hinanden.
Detektorerne er en type, der kaldes laserinterferometre, og projektet kaldes Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
Hvis der kommer en tyngdebølge, bliver den ene arm en smule kortere og den anden en smule længere. Forskerne sender laserstråler ud i armene, og for enden bliver laserlyset reflekteret af spejle.
De to lysbølger er indstillet til at udslukke hinanden, når de mødes igen – de er i modfase (destruktiv interferens). Med mindre en tyngdebølge altså ændrer på rumtiden og dermed på afstandene. Så vil der slippe lidt lys igennem til en lysdetektor, og forskerne kan se, at der har været en tyngdebølge forbi.
De nye detektorer burde kunne fange de kraftigste tyngdebølger, men indtil videre er der ikke dukket noget op – omend der er rygter om, at de første tyngdebølger allerede er gået i fælden.
Einstein forudsagde bølgerne
Jagten på tyngdebølger tager udgangspunkt i Einsteins almene relativitetsteori fra 1915. Det var Einstein, der fandt ud af, at rum og tid ikke er absolutte størrelser, men at rumtiden krummer. Faktisk er det krumninger i rumtiden, vi oplever som tyngdekraft, og ifølge relativitetsteorien findes der altså også tyngdebølger – små forstyrrelser af rumtiden, der udbreder sig med lysets hastighed.
Kan man måle disse tyngdebølger, åbner man et helt nyt vindue til universet, for så kan man pludselig måle fænomener, som ellers er umulige at få øje på. Det kunne for eksempel være sorte huller, der danser om hinanden, fortæller Søren Møller Pedersen:
»To sorte huller, der kredser om hinanden, vil først give et svagt tyngdebølgesignal med en lav frekvens. Men de sorte huller vil kredse stadig tættere om hinanden for til sidst at smelte sammen, og det vil give et signal, der stiger i frekvens og styrke, og som så til sidst vil forsvinde.«
Bliver man i stand til at måle tyngdebølgerne, vil man få viden om, hvor mange af disse binære sorte huller, der findes derude. Man vil tillige få bedre styr på binære neutronstjerner, og stjerner, der eksploderer som supernovaer, vil også ruske lidt op i rumtiden. Det er endda muligt, at man i tyngdebølgerne kan finde informationer om universets fødsel, Big Bang.
Lyt til galaksesammenstød
Der er grænser for hvor store tyngdebølgedetektorer, man kan bygge på landjorden, og her er der også en masse støj, der kan forstyrre de ekstremt følsomme målinger – for eksempel små jordrystelser eller bare lastbiler, der kører forbi i nærheden.
Så fysikerne vil også gerne have en detektor i rummet. Her er der plads nok til laserstråler, der kan være en million kilometer lange. Laserstrålerne skal sendes mellem tre rumfartøjer, og så vil det vise sig, om afstanden mellem rumfartøjerne varierer som forudsagt af Einstein, når tyngdebølger giver skvulp i rumtiden.
Med sådan en rumbaseret tyngdebølgedetektor vil man kunne måle et væld af forskellige tyngdebølger, ikke mindst de bølger, der opstår, når to kæmpestore sorte huller i midten af hver sin galakse smelter sammen.
Guld og platin sendes langt ud i rummet
Men først skal den nødvendige teknologi testes, og ifølge Søren Møller Pedersen er LISA Pathfinder et meget stort skridt på vejen.
I rumfartøjet vil to terninger, hver med en masse på knap to kg, svæve frit i hvert sit vakuumkammer 38 centimeter fra hinanden. Imens vil et lasersystem som det, der også skal bruges på den fremtidige mission, måle afstanden mellem terningerne med en nøjagtighed på få milliardtedele af en millimeter. Systemet vil også måle, om terningerne bevæger sig i forhold til rumskibet omkring dem.
Terningerne er fremstillet af en legeringen af 73 procent guld og 27 procent platin, fordi de skal have en høj massefylde og ikke må påvirkes af magnetfelter. Desuden er terningerne gode til at reflektere det infrarøde lys fra laserstrålerne.
Rumfartøjet med de dyrebare terninger indeni vil kredse frit rundt i Solsystemet halvanden million kilometer fra Jorden i retning mod Solen.
Hvis eksperimentet lykkes, vil de to terninger, der måler 4,6 centimeter på hver led, være helt upåvirkede af alle kræfter – altså bortset fra tyngdekraften, der ifølge Einstein ikke skal forstås som en rigtig kraft, men nærmere som en egenskab ved rumtiden.
Terninger i frit fald
Lasersystemet vil røbe, om afstanden mellem terningerne ændrer sig – ikke på grund af tyngdebølger, som ikke vil kunne måles af LISA Pathfinder, men på grund af andre påvirkninger.
Kan forskerne vise, at terningerne godt kan være i fred derude, så øger det sandsynligheden for, at det er muligt at få en rigtig tyngdebølgedetektor – hvor afstande skal måles med ekstrem præcision over en million kilometer i stedet for 38 centimeter – til at fungere i rummet.
LISA Pathfinder vil vise, om eLISA er en god idé. Hvis det er tilfældet, kan den rumbaserede tyngdebølgedetektor blive virkelighed i 2034 – forudsat at rumfartsorganisationerne med europæiske ESA i spidsen kan finde pengene til den.
I videoen får man et kig ind i LISA Pathfinder og ser lasersystemet, som måler afstanden mellem de to terninger med ekstrem præcision. (Video: ESA)
