De definitieve resultaten van de ESA-satelliet LISA Pathfinder (LPF) zijn vandaag gepubliceerd. Met behulp van gegevens die zijn verzameld vóór het einde van de missie in juli 2017, het LPF-team – inclusief onderzoekers van het Max Planck Institute for Gravitational Physics in Hannover en Leibniz Universität Hannover – verbeterde de eerste resultaten die medio 2016 werden gepubliceerd aanzienlijk. LPF heeft nu de vereisten voor sleuteltechnologieën voor LISA overschreden, het toekomstige zwaartekrachtsgolfobservatorium in de ruimte, met meer dan een factor twee over de gehele waarnemingsband. LISA is gepland om in 2034 de ruimte in te gaan als een ESA-missie en zal "luisteren" naar laagfrequente zwaartekrachtsgolven van samensmeltende superzware zwarte gaten in het hele universum en tienduizenden dubbelsterren in onze melkweg.

Een lust voor het oog

"LISA Pathfinder heeft de sleuteltechnologieën voor LISA prachtig gedemonstreerd, het toekomstige zwaartekrachtsgolfobservatorium in de ruimte:de perfecte ongestoorde vrije val van twee kubieke testmassa's in het ruimtevaartuig, " zegt prof. Karsten Danzmann, directeur van het Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI) en directeur van het Institute for Gravitational Physics aan de Leibniz Universität Hannover, die ook de co-hoofdonderzoeker is van het LISA-technologiepakket. "We waren overweldigd door de resultaten in de eerste weken van de missie, maar onze uiteindelijke resultaten met behulp van meer en betere gegevens en een dieper begrip van ons ruimtelaboratorium LPF zijn echt een lust voor het oog."

Terwijl de eerste LPF-resultaten de LISA-vereisten bij hoge frequenties (boven 0,01 Hz) al overtroffen, de nieuwe publicatie laat zien dat de vereisten met meer dan een factor twee worden overtroffen, helemaal tot 0.00002 Hz - de hele LISA-frequentieband.

Twee goud-platina kubussen op de stilste plek in de ruimte

Een combinatie van verschillende effecten stelde de LPF-onderzoekers in staat om de eerste resultaten verder te verbeteren, de resterende geluidsbronnen verminderen, en creëer een nog stillere omgeving voor de twee kubieke goud-platina testmassa's:

• Na nog enkele maanden van het ventileren van de vacuümkamers van de testmassa naar de ruimte, hun restgasdruk – die voorheen de metingen beperkte – daalde met een factor 10.
• De beschikbaarheid van meer gegevens verbeterde het begrip van de kleine traagheidskracht die op de kubussen werkte, veroorzaakt door de baan van het ruimtevaartuig en hoe het in de ruimte was georiënteerd. Verbeterde controle in LISA zal dit effect verder elimineren.
• Een nauwkeurigere berekening van de elektrostatische krachten van de elektrische systemen aan boord en magnetische velden heeft nu ook een systematische bron van laagfrequente ruis geëlimineerd.
• Dankzij statistische analyse hebben wetenschappers de effecten van extra sporadische gebeurtenissen ("glitches") kunnen verwijderen om het geluid te meten bij nog lagere frequenties dan verwacht.

Deze demonstratie van een bijna perfecte vrije val van twee testmassa's over een brede frequentieband is een kritieke maatstaf voor de LISA-missie en toekomstige multi-messenger-astronomie in samenwerking met andere (elektromagnetische-golf)observatoria.

De allereerste laserinterferometer in de ruimte

In aanvulling, de laserinterferometer, de eerste ooit in de ruimte, presteerde meer dan 100 keer beter dan de vereisten, en 30 keer beter dan ooit in laboratoria op de grond. Het maakte gedetailleerd onderzoek mogelijk van subtiele kleine ruisbronnen en artefacten, dus meer ervaring opdoen en vertrouwen opbouwen in de laserinterferometrie voor LISA. De constructie van het precieze optische meetsysteem werd geleid door wetenschappers van de Max Planck en Leibniz Universität-onderzoekers in Hannover.

De toekomst van zwaartekrachtsgolfastronomie met LISA

LISA staat gepland voor lancering in de ruimte in 2034 als een missie van de European Space Agency (ESA). Het wordt ondersteund door veel ESA-lidstaten, NASA en vele wetenschappers die samenwerken aan de andere kant van de Atlantische Oceaan.

LISA zal bestaan ​​uit drie satellieten die een gelijkzijdige driehoek omspannen met elke zijde 2,5 miljoen kilometer lang. Zwaartekrachtsgolven die door de formatievlucht in de ruimte gaan, veranderen deze afstanden met een biljoenste meter.

LISA zal laagfrequente zwaartekrachtsgolven meten met oscillatieperioden variërend van 10 seconden tot meer dan een halve dag, die niet kunnen worden waargenomen met detectoren op aarde. Deze worden uitgezonden door gebeurtenissen zoals superzware zwarte gaten met miljoenen keren de massa van onze zon die samensmelten in de centra van sterrenstelsels, de baanbewegingen van tienduizenden dubbelsterren in onze melkweg, en mogelijk exotische bronnen zoals kosmische snaren.