ESA udvikler gravitationsbølgerummission med NASA-støtte

ESA (European Space Agency) har udvalgt Laser Interferometer Space Antenna (LISA) til sin tredje store mission i agenturets Cosmic Vision videnskabsprogram. Konstellationen med tre rumfartøjer er designet til at studere gravitationsbølger i rummet og er et koncept, der længe har været undersøgt af både ESA og NASA.

ESA's Science Program Committee annoncerede valget på et møde den 20. juni. Missionen vil nu blive designet, budgetteret og foreslået til vedtagelse inden byggeriet påbegyndes. LISA forventes at blive lanceret i 2034. NASA vil være partner med ESA i designet, udvikling, operationer og dataanalyse af missionen.

Gravitationsstråling blev forudsagt for et århundrede siden af ​​Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Massive accelererende objekter såsom sammensmeltende sorte huller producerer bølger af energi, der bølger gennem rummets og tidens struktur. Indirekte bevis for eksistensen af ​​disse bølger kom i 1978, da subtile ændringer observeret i bevægelsen af ​​et par kredsende neutronstjerner viste, at energi forlod systemet i en mængde, der matchede forudsigelser af energi båret væk af gravitationsbølger.

I september 2015 disse bølger blev først detekteret direkte af National Science Foundations jordbaserede Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Signalet opstod fra sammensmeltningen af ​​to sorte huller med stjernemasse placeret omkring 1,3 milliarder lysår væk. Lignende signaler fra andre sorte hul-fusioner er siden blevet opdaget.

Seismisk, termiske og andre støjkilder begrænser LIGO til højfrekvente gravitationsbølger omkring 100 cyklusser pr. sekund (hertz). Men at finde signaler fra mere magtfulde begivenheder, såsom fusioner af supermassive sorte huller i kolliderende galakser, kræver evnen til at detektere frekvenser meget lavere end 1 hertz, et følsomhedsniveau kun muligt fra rummet.

LISA består af tre rumfartøjer adskilt af 1,6 millioner miles (2,5 millioner kilometer) i en trekantet formation, der følger Jorden i dens kredsløb om solen. Hvert rumfartøj bærer testmasser, der er afskærmet på en sådan måde, at den eneste kraft, de reagerer på, er tyngdekraften. Lasere måler afstandene for at teste masser i alle tre rumfartøjer. Små ændringer i længden af ​​hver to-rumfartøjsarm signalerer passagen af ​​gravitationsbølger gennem formationen.

For eksempel, LISA vil være følsom over for gravitationsbølger produceret af sammensmeltninger af supermassive sorte huller, hver med millioner eller flere gange solens masse. Det vil også være i stand til at detektere gravitationsbølger, der udgår fra binære systemer, der indeholder neutronstjerner eller sorte huller, får deres baner til at skrumpe. Og LISA kan opdage en baggrund af gravitationsbølger produceret i universets tidligste øjeblikke.

I årtier, NASA har arbejdet på at udvikle mange teknologier, der er nødvendige for LISA, inklusive måling, mikrofremdrivnings- og kontrolsystemer, samt støtte til udvikling af dataanalyseteknikker.

For eksempel, GRACE-opfølgningsmissionen, et amerikansk og tysk samarbejde om at erstatte de aldrende GRACE-satellitter, der er planlagt til opsendelse sidst på året, vil bære et lasermålesystem, der arver nogle af de teknologier, der oprindeligt er udviklet til LISA. Missionens Laser Ranging Interferometer vil spore afstandsændringer mellem de to satellitter med hidtil uset præcision, giver den første demonstration af teknologien i rummet.

I 2016 ESA's LISA Pathfinder demonstrerede med succes nøgleteknologier, der er nødvendige for at bygge LISA. Hvert af LISA's tre rumfartøjer skal forsigtigt flyve rundt om sine testmasser uden at forstyrre dem, en proces kaldet trækfri flyvning. I de første to måneder af driften, LISA Pathfinder demonstrerede denne proces med en præcision, der er omkring fem gange bedre end dens missionskrav og nåede senere den følsomhed, der er nødvendig for det fulde observatorium med flere rumfartøjer. Amerikanske forskere samarbejdede om aspekter af LISA Pathfinder i årevis, og missionen bærer et NASA-leveret eksperiment kaldet ST7 Disturbance Reduction System, som administreres af NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien.