Wetenschap
Formatievliegende ruimtevaartuigen zouden het zonnestelsel kunnen onderzoeken op nieuwe natuurkunde
Tientallen jaren lang hebben wetenschappers gepostuleerd dat er óf extra natuurkunde aan het werk is, óf dat ons overheersende kosmologische model herzien moet worden.
Terwijl het onderzoek naar het bestaan en de aard van donkere materie en donkere energie voortduurt, zijn er ook pogingen om deze mysteries op te lossen met het mogelijke bestaan van nieuwe natuurkunde. In een artikel stelde een team van NASA-onderzoekers voor hoe ruimtevaartuigen zouden kunnen zoeken naar bewijs van extra fysiek materiaal in onze zonnestelsels. Deze zoektocht zou volgens hen worden ondersteund doordat het ruimtevaartuig in een tetraëdrische formatie zou vliegen en interferometers zou gebruiken. Zo'n missie zou kunnen helpen bij het oplossen van een kosmologisch mysterie dat wetenschappers al meer dan een halve eeuw ontgaat.
Het voorstel is het werk van Slava G. Turyshev, adjunct-professor natuurkunde en astronomie aan de universiteit van Californië in Los Angeles (UCLA) en onderzoekswetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory. Hij werd vergezeld door Sheng-wey Chiow, een experimenteel natuurkundige bij NASA JPL, en Nan Yu, adjunct-professor aan de universiteit van South Carolina en senior onderzoeker bij NASA JPL.
Hun onderzoekspaper is online verschenen en geaccepteerd voor publicatie in Physical Review D .
Turyshev's ervaring omvat onder meer het zijn van een Gravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL) missiewetenschapsteamlid. In eerder werk hebben Turyshev en zijn collega's onderzocht hoe een missie naar de zonnegravitatielens (SGL) van de zon een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de astronomie. In een eerder onderzoek hebben hij en SETI-astronoom Claudio Maccone ook overwogen hoe geavanceerde beschavingen SGL's zouden kunnen gebruiken om energie van het ene zonnestelsel naar het volgende over te brengen.
Samenvattend kan worden gezegd dat zwaartekrachtlensvorming een fenomeen is waarbij zwaartekrachtvelden de kromming van de ruimtetijd in hun omgeving veranderen. Dit effect werd oorspronkelijk voorspeld door Einstein in 1916 en werd in 1919 door Arthur Eddington gebruikt om zijn algemene relativiteitstheorie (GR) te bevestigen. Tussen de jaren zestig en negentig gaven observaties van de rotatiecurven van sterrenstelsels en de uitdijing van het heelal echter aanleiding tot nieuwe theorieën over de aard van de zwaartekracht op grotere kosmische schaalniveaus. Aan de ene kant postuleerden wetenschappers het bestaan van donkere materie en donkere energie om hun waarnemingen in overeenstemming te brengen met GR.
Aan de andere kant hebben wetenschappers alternatieve theorieën over de zwaartekracht naar voren gebracht (zoals de gemodificeerde Newtoniaanse dynamiek (MOND), de gemodificeerde zwaartekracht (MOG), enz.). Ondertussen hebben anderen gesuggereerd dat er mogelijk aanvullende natuurkunde in de kosmos bestaat waarvan we ons nog niet bewust zijn.
Zoals Turyshev via e-mail aan Universe Today vertelde:“We willen graag vragen onderzoeken rond de mysteries van donkere energie en donkere materie. Ondanks hun ontdekking in de vorige eeuw blijven hun onderliggende oorzaken ongrijpbaar. Moeten deze ‘afwijkingen’ voortkomen uit nieuwe natuurkundige verschijnselen? dat nog moet worden waargenomen in laboratoria op de grond of in deeltjesversnellers – het is mogelijk dat deze nieuwe kracht zich op de schaal van het zonnestelsel zou kunnen manifesteren."
Voor hun laatste onderzoek onderzochten Turyshev en zijn collega's hoe een reeks ruimtevaartuigen die in een tetraëdrische formatie vliegen het zwaartekrachtveld van de zon konden onderzoeken. Deze onderzoeken, zei Turyshev, zouden zoeken naar afwijkingen van de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie op de schaal van het zonnestelsel, iets dat tot nu toe niet mogelijk was.
"Er wordt verondersteld dat deze afwijkingen zich manifesteren als elementen die niet nul zijn in de zwaartekrachtgradiënttensor (GGT), fundamenteel vergelijkbaar met een oplossing van de Poisson-vergelijking. Vanwege hun minuscule aard vereist het detecteren van deze afwijkingen precisie die de huidige mogelijkheden ver overtreft - met minstens vijf ordes." Bij een dergelijk verhoogd nauwkeurigheidsniveau zullen talrijke bekende effecten aanzienlijke ruis introduceren. /P>
De missie, zei Turyshev, zou gebruik maken van lokale meettechnieken die afhankelijk zijn van een reeks interferometers. Dit omvat interferometrische laserafstandsbepaling, een techniek die wordt gedemonstreerd door de Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) missie, een ruimtevaartuigpaar dat afhankelijk is van laserafstandsbepaling om de oceanen, gletsjers, rivieren en oppervlaktewater van de aarde te volgen. Dezelfde techniek zal ook worden gebruikt om zwaartekrachtgolven te onderzoeken met de voorgestelde in de ruimte gestationeerde Laser Interferometry Space Antenna (LISA).
Het ruimtevaartuig zal ook worden uitgerust met atoominterferometers, die het golfkarakter van atomen gebruiken om het faseverschil tussen atomaire materiegolven langs verschillende paden te meten. Deze techniek zal het ruimtevaartuig in staat stellen de aanwezigheid van niet-zwaartekrachtgeluiden (boegschroefactiviteit, zonnestralingsdruk, thermische terugslagkrachten, enz.) te detecteren en deze in de noodzakelijke mate teniet te doen. Ondertussen zal het vliegen in een tetraëdrische formatie het vermogen van het ruimtevaartuig om metingen te vergelijken optimaliseren.
"Laserbereik zal ons zeer nauwkeurige gegevens opleveren over de afstanden en relatieve snelheden tussen ruimtevaartuigen", aldus Turyshev. "Bovendien zal de uitzonderlijke precisie ons in staat stellen de rotatie van een tetraëderformatie te meten ten opzichte van een traagheidsreferentieframe (via Sagnac-waarnemingen), een taak die op geen enkele andere manier kan worden bereikt. Bijgevolg zal dit een tetraëdrische formatie tot stand brengen die gebruik maakt van een reeks lokale metingen."
Uiteindelijk zal deze missie GR op de kleinste schaal testen, wat tot nu toe ernstig ontbrak. Hoewel wetenschappers het effect van zwaartekrachtvelden op de ruimtetijd blijven onderzoeken, zijn deze grotendeels beperkt gebleven tot het gebruik van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels als lenzen. Andere voorbeelden zijn waarnemingen van compacte objecten (zoals witte dwergsterren) en superzware zwarte gaten (SMBH) zoals Sagittarius A*, die zich in het centrum van de Melkweg bevindt.
"We streven ernaar om de nauwkeurigheid van het testen van GR en alternatieve zwaartekrachttheorieën met meer dan vijf orden van grootte te verbeteren. Naast dit primaire doel heeft onze missie aanvullende wetenschappelijke doelen, die we in ons volgende artikel gedetailleerd zullen beschrijven. Deze omvatten het testen van GR en andere zwaartekrachttheorieën. theorieën, het detecteren van zwaartekrachtsgolven in het micro-Hertz-bereik – een spectrum dat niet bereikbaar is met bestaande of geplande instrumenten – en het onderzoeken van aspecten van het zonnestelsel, zoals de hypothetische Planeet 9, naast andere inspanningen.