LISA Pathfinder, een missie onder leiding van ESA (de European Space Agency) met bijdragen van NASA, heeft met succes kritieke technologieën gedemonstreerd die nodig zijn om een ​​ruimtegebaseerd observatorium te bouwen voor het detecteren van rimpelingen in de ruimtetijd, zwaartekrachtgolven genaamd. Nu hoopt een team van NASA-wetenschappers te profiteren van de recordbrekende gevoeligheid van het ruimtevaartuig om de verspreiding in kaart te brengen van kleine stofdeeltjes die door asteroïden en kometen ver van de aarde worden afgeworpen.

De meeste van deze deeltjes hebben massa's gemeten in microgram, vergelijkbaar met een kleine zandkorrel. Maar met snelheden groter dan 22, 000 mph (36, 000 km/u), zelfs micrometeoroïden pakken een klap uit. De nieuwe metingen kunnen helpen bij het verfijnen van stofmodellen die door onderzoekers in verschillende onderzoeken worden gebruikt, van het begrijpen van de fysica van planeetvorming tot het inschatten van impactrisico's voor huidige en toekomstige ruimtevaartuigen.

"We hebben laten zien dat we een nieuwe techniek hebben en dat het werkt, " zei Ira Thorpe, die het team leidt van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "De volgende stap is om deze techniek zorgvuldig toe te passen op onze hele dataset en de resultaten te interpreteren."

Het primaire doel van de missie was om te testen hoe goed het ruimtevaartuig in formatie kon vliegen met een identiek paar 1.8-inch (46 millimeter) goud-platina-kubussen erin zwevend. De kubussen zijn testmassa's die bedoeld zijn om in vrije val te zijn en alleen op de zwaartekracht te reageren.

Het ruimtevaartuig dient als een schild om de testmassa's te beschermen tegen externe krachten. Wanneer LISA Pathfinder reageert op druk van zonlicht en microscopisch kleine stofinslagen, het ruimtevaartuig compenseert automatisch door kleine uitbarstingen van zijn micronewton-stuwraketten af ​​te vuren om te voorkomen dat de testmassa's worden verstoord.

Wetenschappers noemen dit een sleepvrije vlucht. Tijdens de eerste twee maanden van haar activiteiten, begin 2016, LISA Pathfinder demonstreerde het proces met een precisie die ongeveer vijf keer beter was dan de missievereisten, waardoor het het meest gevoelige instrument is voor het meten van versnelling tot nu toe gevlogen. Het heeft nu het gevoeligheidsniveau bereikt dat nodig is om een ​​volledig multi-ruimtevaartuig zwaartekrachtgolfobservatorium te bouwen.

"Elke keer dat microscopisch stof LISA Pathfinder treft, zijn stuwraketten maken de kleine hoeveelheid momentum die naar het ruimtevaartuig wordt overgebracht teniet, "Zei Goddard mede-onderzoeker Diego Janches. "We kunnen dat omdraaien en de stuwraketten gebruiken om meer te weten te komen over de inslaande deeltjes. Het lawaai van het ene team wordt de data van het andere team."

Veel van wat we weten over interplanetair stof is beperkt tot de omgeving van de aarde, grotendeels dankzij NASA's Long Duration Exposure Facility (LDEF). Gelanceerd in een baan om de aarde door de spaceshuttle Challenger in april 1984 en teruggevonden door de spaceshuttle Columbia in januari 1990, LDEF organiseerde tientallen experimenten, waarvan vele zijn ontworpen om de meteoroïde en orbitale puinomgeving beter te begrijpen.

De verschillende composities, banen en geschiedenissen van verschillende asteroïden en kometen produceren van nature stof met verschillende massa's en snelheden. Wetenschappers vermoeden dat de kleinste en langzaamste deeltjes versterkt zijn in de buurt van de aarde, dus de LDEF-resultaten zijn niet representatief voor het bredere zonnestelsel.

"Klein, langzame deeltjes in de buurt van een planeet zijn het meest vatbaar voor de zwaartekracht van de planeet, wat we zwaartekrachtsfocussering noemen, "Zei Janches. Dit betekent dat de flux van micrometeoroïden in de buurt van de aarde veel hoger zou moeten zijn dan die van LISA Pathfinder, gelegen rond 930, 000 mijl (1,5 miljoen kilometer) dichter bij de zon.

Om de effecten te vinden, Tyson Littenberg bij NASA's Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, paste een algoritme aan dat hij oorspronkelijk had ontwikkeld om te zoeken naar zwaartekrachtsgolven in gegevens van de gronddetectoren van de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), gevestigd in Livingston, Louisiana, en Hanford, Washington. In feite, het was een van de vele algoritmen die een rol speelden bij de ontdekking van zwaartekrachtsgolven door LIGO, aangekondigd in februari 2016.

"De manier waarop het werkt, is dat we een gok bedenken van hoe het signaal eruit zou kunnen zien, bestudeer vervolgens hoe LIGO of LISA Pathfinder zou reageren als deze gok waar was, " legde Littenberg uit. "Voor LIGO, we gissen naar de golfvorm, de toppen en dalen van de zwaartekrachtsgolf. Voor LISA Pathfinder, we gissen naar een impact."

Om de waarschijnlijkheid van waarschijnlijke bronnen in kaart te brengen, het team genereert miljoenen verschillende scenario's die beschrijven wat de bron zou kunnen zijn en vergelijkt ze met wat het ruimtevaartuig daadwerkelijk detecteert.

Als reactie op een impact, LISA Pathfinder vuurt zijn stuwraketten af ​​om zowel de minuut "duwen" van de aanval als elke verandering in de spin van het ruimtevaartuig tegen te gaan. Samen, deze hoeveelheden stellen de onderzoekers in staat om de locatie van de impact op het ruimtevaartuig te bepalen en het oorspronkelijke traject van de micrometeoroïde te reconstrueren. Dit kan het team in staat stellen om afzonderlijke puinstromen te identificeren en deze mogelijk in verband te brengen met bekende asteroïden en kometen.

"Dit is een hele fijne samenwerking, " zei Paul McNamara, de LISA Pathfinder projectwetenschapper bij ESA's Directorate of Science in Noordwijk, Nederland. "Dit zijn gegevens die we gebruiken voor onze wetenschappelijke metingen, en als uitloper daarvan, Ira en zijn team kunnen ons vertellen over microdeeltjes die het ruimtevaartuig raken."

De verre ligging, gevoeligheid voor deeltjes met een lage massa, en het vermogen om de grootte en richting van inslaande deeltjes te meten, maken LISA Pathfinder tot een uniek instrument voor het bestuderen van de populatie micrometeoroïden in het binnenste zonnestelsel. Maar het is nog maar het begin.

"Dit is een proof of concept, maar we hopen deze techniek te herhalen met een volledig zwaartekrachtgolfobservatorium dat ESA en NASA momenteel bestuderen voor de toekomst, "zei Thorpe. "Met meerdere ruimtevaartuigen in verschillende banen en een veel langere waarnemingstijd, de kwaliteit van de data moet echt verbeteren."

LISA Pathfinder wordt beheerd door ESA en bevat bijdragen van NASA Goddard en NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië. De missie gelanceerd op 3 december, 2015, en begon rond een punt genaamd Aarde-zon L1 te draaien. ongeveer 930, 000 mijl (1,5 miljoen km) van de aarde in de richting van de zon, eind januari 2016.

LISA staat voor Laser Interferometer Space Antenna, een ruimtegebaseerd zwaartekrachtsgolfobservatoriumconcept dat tot in detail is bestudeerd door zowel NASA als ESA. Het is een concept dat wordt onderzocht voor de derde grote missie van ESA's Cosmic Vision Plan, die in 2034 een observatorium voor zwaartekrachtgolven wil lanceren.