Vandaag, ESA heeft Europese wetenschappers uitgenodigd om concepten voor te stellen voor de derde grote missie in haar wetenschapsprogramma, om het zwaartekrachtuniversum te bestuderen.

Een ruimteobservatorium van zwaartekrachtsgolven - rimpelingen in het weefsel van ruimtetijd gecreëerd door het versnellen van massieve objecten - werd in 2013 geïdentificeerd als het doel voor de derde grote missie (L3) in het Cosmic Vision-plan van ESA.

In 2014 werd een Gravitational Observatory Advisory Team aangesteld, samengesteld uit onafhankelijke deskundigen. Het team voltooide eerder dit jaar zijn eindrapport, ESA verder aanbevelen om de missie voort te zetten na de haalbaarheid van een multisatellietontwerp met vrij vallende testmassa's die over miljoenen kilometers door lasers zijn verbonden, te hebben geverifieerd.

Nutsvoorzieningen, na de eerste detectie van de ongrijpbare golven met experimenten op de grond en de succesvolle uitvoering van ESA's LISA Pathfinder-missie, die enkele van de belangrijkste technologieën demonstreerde die nodig zijn om zwaartekrachtgolven vanuit de ruimte te detecteren, het bureau nodigt de wetenschappelijke gemeenschap uit om voorstellen in te dienen voor de eerste ruimtemissie om zwaartekrachtsgolven te observeren.

"Zwaartekrachtgolven beloven een nieuw venster te openen voor astronomie, het onthullen van krachtige fenomenen in het heelal die niet toegankelijk zijn via observaties van kosmisch licht, " zegt Allvaro Giménez, Wetenschapsdirecteur van ESA.

Een eeuw geleden voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, zwaartekrachtsgolven bleven ongrijpbaar tot de eerste directe detectie door de op de grond gebaseerde Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory en Virgo-samenwerkingen, gemaakt in september 2015 en eerder dit jaar aangekondigd.

Het signaal is afkomstig van de samensmelting van twee zwarte gaten, elk met ongeveer 30 keer de massa van de zon en ongeveer 1,3 miljard lichtjaar verwijderd. Een tweede detectie werd gedaan in december 2015 en aangekondigd in juni, en onthulde zwaartekrachtsgolven van een andere samensmelting van zwarte gaten, dit keer met kleinere objecten met massa's rond de 7 en 14 zonsmassa's.

In de tussentijd, de LISA Pathfinder-missie werd gelanceerd in december 2015 en begon haar wetenschappelijke activiteiten in maart van dit jaar, het testen van enkele van de belangrijkste technologieën die kunnen worden gebruikt om een ​​ruimteobservatorium van zwaartekrachtgolven te bouwen.

Gegevens verzameld tijdens de eerste twee maanden toonden aan dat het inderdaad mogelijk is om externe verstoringen op testmassa's die in vrije val zijn geplaatst te elimineren met het nauwkeurigheidsniveau dat nodig is om passerende zwaartekrachtgolven te meten die hun beweging verstoren.

Hoewel detectoren op de grond gevoelig zijn voor zwaartekrachtsgolven met frequenties van ongeveer 100 Hz – of honderd oscillatiecycli per seconde – zal een observatorium in de ruimte golven met een lagere frequentie kunnen detecteren, van 1 Hz tot 0,1 mHz. Zwaartekrachtgolven met verschillende frequenties dragen informatie over verschillende gebeurtenissen in de kosmos, net zoals astronomische waarnemingen in zichtbaar licht gevoelig zijn voor sterren in de belangrijkste stadia van hun leven, terwijl röntgenwaarnemingen de vroege fasen van het sterrenleven of de overblijfselen van hun ondergang kunnen onthullen.

Vooral, laagfrequente zwaartekrachtsgolven zijn gekoppeld aan nog exotischere kosmische objecten dan hun hogerfrequente tegenhangers:superzware zwarte gaten, met massa's van miljoenen tot miljarden keren die van de zon, die zich in het centrum van massieve sterrenstelsels bevinden. De golven komen vrij wanneer twee van dergelijke zwarte gaten samenvloeien tijdens een samensmelting van sterrenstelsels, of wanneer een kleiner compact object, zoals een neutronenster of een zwart gat met een stellaire massa, spiralen naar een superzwaar zwart gat.

Het observeren van de oscillaties in het weefsel van de ruimtetijd die door deze krachtige gebeurtenissen worden geproduceerd, biedt de mogelijkheid om te bestuderen hoe sterrenstelsels zich hebben gevormd en geëvolueerd gedurende de levensduur van het heelal, en om de algemene relativiteitstheorie van Einstein in zijn sterke regime te testen.

Concepten voor ESA's L3-missie zullen de verkenning van het heelal moeten aanpakken met laagfrequente zwaartekrachtgolven, een aanvulling op de waarnemingen op de grond om het nieuwe veld van de zwaartekrachtastronomie volledig te benutten. De geplande lanceringsdatum voor de missie is 2034.

De lessen die zijn getrokken uit LISA Pathfinder zullen cruciaal zijn voor het ontwikkelen van deze missie, maar er zal ook veel nieuwe technologie nodig zijn om het ontwerp met één satelliet uit te breiden naar meerdere satellieten. Bijvoorbeeld, lasers veel krachtiger dan die gebruikt op LISA Pathfinder, evenals zeer stabiele telescopen, zal nodig zijn om de vrij vallende massa's over miljoenen kilometers met elkaar te verbinden.

Grote missies in ESA's Wetenschapsprogramma worden door ESA geleid, maar ook om internationale samenwerking mogelijk te maken. De eerste grote missie is Juice, de JUpiter ICy moons Explorer, gepland voor lancering in 2022, en de tweede is Athene, de geavanceerde telescoop voor hoogenergetische astrofysica, een röntgenobservatorium om het hete en energetische heelal te onderzoeken, met een geplande lanceringsdatum in 2028.

Intentieverklaringen voor ESA's nieuwe gravitatiegolf-ruimteobservatorium moeten uiterlijk op 15 november worden ingediend, en de deadline voor het volledige voorstel is 16 januari 2017. De selectie zal naar verwachting plaatsvinden in de eerste helft van 2017, met een voorbereidende interne studiefase gepland voor later in het jaar.