Wetenschap
Dit is de reden waarom we een zwaartekrachtsgolfobservatorium op de maan zouden moeten plaatsen
Wetenschappers ontdekten de eerste lang voorspelde zwaartekrachtgolf in 2015, en sindsdien hongeren onderzoekers naar betere detectoren. Maar de aarde is warm en seismisch luidruchtig, en dat zal altijd de effectiviteit van op aarde gebaseerde detectoren beperken.
Is de maan de juiste plek voor een nieuw zwaartekrachtgolfobservatorium? Het kan zijn. Het sturen van telescopen de ruimte in werkte goed, en het plaatsen van een GW-observatorium op de maan zou dat ook kunnen, hoewel het voorstel duidelijk erg complex is.
Het grootste deel van de astronomie gaat over licht. Hoe beter we het kunnen aanvoelen, hoe meer we leren over de natuur. Daarom zijn telescopen als de Hubble en de JWST in de ruimte. De atmosfeer van de aarde vervormt telescoopbeelden en blokkeert zelfs een deel van het licht, zoals infrarood. Ruimtetelescopen omzeilen deze beide problemen en hebben een revolutie teweeggebracht in de astronomie.
Zwaartekrachtgolven zijn geen licht, maar het waarnemen ervan vereist nog steeds extreme gevoeligheid. Net zoals de atmosfeer van de aarde ‘ruis’ kan introduceren in telescoopobservaties, kan de seismische activiteit van de aarde problemen veroorzaken voor zwaartekrachtgolfdetectoren. De maan heeft een groot voordeel ten opzichte van onze dynamische, steeds veranderende planeet:er is veel minder seismische activiteit.
We weten sinds de Apollo-dagen dat de maan seismische activiteit vertoont. Maar in tegenstelling tot de aarde houdt het grootste deel van haar activiteit verband met getijdenkrachten en kleine meteorietinslagen. Het grootste deel van de seismische activiteit is ook zwakker en veel dieper dan die van de aarde. Dat trok de aandacht van onderzoekers die de Lunar Gravitational-wave Antenna (LGWA) ontwikkelden.
De ontwikkelaars van de LGWA hebben een nieuw artikel geschreven, "The Lunar Gravitational-wave Antenna:Mission Studies and Science Case", en dit op de arXiv geplaatst. preprint-server. De hoofdauteur is Parameswaran Ajith, een natuurkundige/astrofysicus van het International Center for Theoretical Science, Tata Institute of Fundamental Research, Bangalore, India. Ajith is ook lid van de LIGO Scientific Collaboration.
Een zwaartekrachtsgolfobservatorium (GWO) op de maan zou een gat in de frequentiedekking kunnen overbruggen.
"Gezien de grootte van de maan en het verwachte geluid dat wordt geproduceerd door de seismische achtergrond van de maan, zou de LGWA GW's kunnen waarnemen van ongeveer 1 MHz tot 1 Hz", schrijven de auteurs. "Dit zou de LGWA tot de ontbrekende schakel maken tussen in de ruimte gestationeerde detectoren zoals LISA met piekgevoeligheden rond een paar millihertz en voorgestelde toekomstige aardse detectoren zoals Einstein Telescope of Cosmic Explorer."
Indien gebouwd, zou de LGWA bestaan uit een reeks detectoren op planetaire schaal. De unieke omstandigheden op de maan zullen de LGWA in staat stellen een groter venster te openen op de wetenschap van zwaartekrachtgolven. De maan heeft een extreem lage seismische achtergrondactiviteit die de auteurs omschrijven als 'seismische stilte'. Het gebrek aan achtergrondgeluid zal gevoeligere detecties mogelijk maken.
De maan heeft ook extreem lage temperaturen in de permanent beschaduwde gebieden (PSR's). Detectoren moeten supergekoeld zijn, en de koude temperaturen in de PSR's maken die taak gemakkelijker. De LGWA zou bestaan uit vier detectoren in een PSR-krater op een van de maanpolen.
De LGWA is een ambitieus idee met een potentieel baanbrekende wetenschappelijke uitbetaling. In combinatie met telescopen die het hele elektromagnetische spectrum waarnemen en met neutrino- en kosmische stralingsdetectoren – de zogenaamde multi-messenger-astronomie – zou dit ons begrip van een hele reeks kosmische gebeurtenissen kunnen vergroten.
De LGWA zal een aantal unieke mogelijkheden hebben voor het detecteren van kosmische explosies. "Alleen LGWA kan astrofysische gebeurtenissen waarnemen waarbij WD's (witte dwergen) betrokken zijn, zoals getijdenverstoringsgebeurtenissen (TDE's) en SNe Ia", leggen de auteurs uit. Ze wijzen er ook op dat alleen de LGWA astronomen weken of zelfs maanden van tevoren kan waarschuwen voor het samensmelten van compacte binaire sterren met een massa van de zon, inclusief neutronensterren.
De LGWA zal ook lichtere dubbelsterren met een middelgroot zwart gat (IMBH) in het vroege heelal kunnen detecteren. IMBH's speelden een rol bij het vormen van de huidige superzware zwarte gaten (SMBH's) in het hart van sterrenstelsels zoals het onze. Astrofysici hebben veel onbeantwoorde vragen over zwarte gaten en hoe ze zijn geëvolueerd. De LGWA zou een aantal daarvan moeten helpen beantwoorden.
Dubbele White Dwarf (DWD)-fusies buiten onze Melkweg zijn iets anders dat alleen de LGWA zal kunnen waarnemen. Ze kunnen worden gebruikt om de Hubble-constante te meten. In de afgelopen decennia hebben wetenschappers verfijndere metingen van de Hubble-constante gekregen, maar er zijn nog steeds discrepanties.
De LGWA zal ons ook meer vertellen over de maan. De seismische waarnemingen zullen de interne structuur van de maan gedetailleerder dan ooit onthullen. Er zijn veel wetenschappers die nog steeds niets weten over de vorming, geschiedenis en evolutie ervan. De seismische waarnemingen van de LGWA zullen ook de geologische processen van de maan belichten.
De LGWA-missie is nog in ontwikkeling. Voordat het kan worden geïmplementeerd, moeten wetenschappers meer weten over waar ze het willen plaatsen. Dat is waar de voorlopige Soundcheck-missie van pas komt.
In 2023 selecteerde de ESA Soundcheck in haar Reserve Pool of Science Activity voor de maan. Soundcheck zal niet alleen de seismische verplaatsing van het oppervlak, magnetische fluctuaties en temperatuur meten, het zal ook een technologiedemonstratiemissie zijn. "De validatie van de Soundcheck-technologie richt zich op de implementatie, de mechanica en uitlezing van traagheidssensoren, thermisch beheer en platformnivellering", leggen de auteurs uit.
In de astronomie, astrofysica, kosmologie en aanverwante wetenschappelijke inspanningen lijkt het altijd alsof we aan de vooravond staan van nieuwe ontdekkingen en een nieuw begrip van het universum en hoe we daarin passen. De reden dat het altijd zo lijkt, is omdat het waar is. Mensen worden er steeds beter in, en de opkomst en bloei van de GW-wetenschap is daar een voorbeeld van, ook al zijn we nog maar net begonnen. Nog geen tien jaar zijn verstreken sinds wetenschappers hun eerste GW ontdekten.
Waar gaat het verder?
"Ondanks deze goed ontwikkelde routekaart voor GW-wetenschap is het belangrijk om te beseffen dat de verkenning van ons universum door middel van GW's nog in de kinderschoenen staat", schrijven de auteurs in hun artikel. "Naast de enorme impact die wordt verwacht op de astrofysica en de kosmologie, biedt dit vakgebied een grote kans op onverwachte en fundamentele ontdekkingen."