Næste skridt mod et gravitationsbølgeobservatorium i rummet

I dag, ESA har inviteret europæiske videnskabsmænd til at foreslå koncepter til den tredje store mission i sit videnskabsprogram, at studere gravitationsuniverset.

Et rumbåret observatorium af gravitationsbølger – krusninger i rumtidens struktur skabt af accelererende massive objekter – blev i 2013 identificeret som målet for den tredje store mission (L3) i ESA's Cosmic Vision-plan.

Et rådgivende team for gravitationsobservatoriet blev udpeget i 2014, sammensat af uafhængige eksperter. Holdet afsluttede sin endelige rapport tidligere på året, yderligere anbefale ESA at fortsætte missionen efter at have verificeret gennemførligheden af ​​et multisatellitdesign med fritfaldende testmasser forbundet over millioner af kilometer med lasere.

Nu, efter den første påvisning af de undvigende bølger med jordbaserede eksperimenter og den vellykkede udførelse af ESA's LISA Pathfinder-mission, som demonstrerede nogle af de nøgleteknologier, der er nødvendige for at detektere gravitationsbølger fra rummet, agenturet inviterer det videnskabelige samfund til at indsende forslag til den første rummission til at observere gravitationsbølger.

"Gravitationsbølger lover at åbne et nyt vindue for astronomi, afslører kraftige fænomener på tværs af universet, som ikke er tilgængelige via observationer af kosmisk lys, " siger Alvaro Giménez, ESA's direktør for videnskab.

Forudsagt for et århundrede siden af ​​Albert Einsteins generelle relativitetsteori, gravitationsbølger forblev uhåndgribelige indtil den første direkte detektion af det jordbaserede Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory og Jomfruen samarbejder, lavet i september 2015 og annonceret tidligere i år.

Signalet stammer fra sammensmeltningen af ​​to sorte huller, hver med omkring 30 gange Solens masse og omkring 1,3 milliarder lysår væk. En anden påvisning blev foretaget i december 2015 og annonceret i juni, og afslørede gravitationsbølger fra en anden sort hul-fusion, denne gang involverer mindre objekter med masser omkring 7 og 14 solmasser.

I mellemtiden LISA Pathfinder-missionen blev lanceret i december 2015 og startede sin videnskabelige operation i marts i år, at teste nogle af de nøgleteknologier, der kan bruges til at bygge et rumobservatorium af gravitationsbølger.

Data indsamlet i løbet af de første to måneder viste, at det faktisk er muligt at eliminere eksterne forstyrrelser på testmasser placeret i frit fald med det præcisionsniveau, der kræves for at måle passerende gravitationsbølger, der forstyrrer deres bevægelse.

Mens jordbaserede detektorer er følsomme over for gravitationsbølger med frekvenser på omkring 100 Hz – eller hundrede oscillationscyklusser i sekundet – vil et observatorium i rummet være i stand til at detektere lavfrekvente bølger, fra 1 Hz ned til 0,1 mHz. Gravitationsbølger med forskellige frekvenser bærer information om forskellige begivenheder i kosmos, meget ligesom astronomiske observationer i synligt lys er følsomme over for stjerner i de vigtigste stadier af deres liv, mens røntgenobservationer kan afsløre de tidlige faser af stjernernes liv eller resterne af deres død.

I særdeleshed, lavfrekvente gravitationsbølger er knyttet til endnu mere eksotiske kosmiske objekter end deres højfrekvente modstykker:supermassive sorte huller, med masser af millioner til milliarder af gange Solens, der sidder i centrum af massive galakser. Bølgerne frigives, når to sådanne sorte huller smelter sammen under en fusion af galakser, eller når en mindre kompakt genstand, som en neutronstjerne eller et sort hul med stjernemasse, spiraler mod et supermassivt sort hul.

At observere oscillationerne i rumtidens struktur produceret af disse magtfulde begivenheder vil give mulighed for at studere, hvordan galakser er dannet og udviklet sig gennem universets levetid, og at teste Einsteins generelle relativitetsteori i dets stærke regime.

Koncepter for ESA's L3-mission skal omhandle udforskningen af ​​universet med lavfrekvente gravitationsbølger, som et supplement til de observationer, der er udført på jorden for fuldt ud at udnytte det nye felt inden for gravitationsastronomi. Den planlagte lanceringsdato for missionen er 2034.

Erfaringer fra LISA Pathfinder vil være afgørende for udviklingen af ​​denne mission, men meget ny teknologi vil også være nødvendig for at udvide enkelt-satellit-designet til flere satellitter. For eksempel, lasere, der er meget kraftigere end dem, der bruges på LISA Pathfinder, samt meget stabile teleskoper, vil være nødvendigt at forbinde de frit faldende masser over millioner af kilometer.

Store missioner i ESA's Videnskabsprogram er ESA-ledede, men også give mulighed for internationalt samarbejde. Den første store mission er Juice, JUpiter ICy moons Explorer, planlagt til lancering i 2022, og den anden er Athena, Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, et røntgenobservatorium for at undersøge det varme og energiske univers, med en planlagt lanceringsdato i 2028.

Hensigtserklæringer for ESA's nye gravitationsbølgerumobservatorium skal indsendes senest den 15. november, og fristen for det fulde forslag er den 16. januar 2017. Udvælgelsen forventes at finde sted i første halvdel af 2017, med en foreløbig intern undersøgelsesfase planlagt senere på året.