Voor de eerste keer, het is mogelijk geweest om lasermeettechnologie voor LISA in laboratoria bijna onder missieomstandigheden te testen. Een team van onderzoekers onder leiding van het Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) en het Institute for Gravitational Physics aan de Leibniz Universität in Hannover, Duitsland, bereikte de doorbraak met een nieuw experiment. Het werk sluit aan bij de LISA Pathfinder-missie, die van 2015 tot 2017 LISA-technologieën in de ruimte heeft getest. LISA is een gepland observatorium in de ruimte dat zwaartekrachtgolven zal detecteren die op aarde niet toegankelijk zijn. Een consortium van internationale wetenschappers ontwikkelt momenteel LISA als een missie van de European Space Agency (ESA). Met hun experiment de AEI-wetenschappers demonstreren de functionaliteit van de LISA-fasemeter, die de centrale meeteenheid van het observatorium zal zijn. Hun experiment kan ook gemakkelijk worden uitgebreid voor verdere tests en kan dus andere stappen van het LISA-metingsobservatorium verifiëren.

"Alle componenten van het geplande LISA-ruimteobservatorium moeten voldoen aan strikte precisie-eisen om zwaartekrachtgolven te meten, " zegt dr. Thomas Schwarze, hoofdauteur van het vandaag gepubliceerde artikel in het gerenommeerde tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . "Om in een laboratorium omstandigheden te creëren waaronder de enorme precisie voor LISA kan worden geverifieerd, vereist grote zorgvuldigheid. we kunnen een belangrijk deel van de LISA-technologie testen onder bijna realistische missieomstandigheden in onze laboratoria en laten zien dat het werkt zoals bedoeld."

LISA – een zwaartekrachtsgolfobservatorium in de ruimte

LISA zal naar verwachting in 2034 in de ruimte worden gelanceerd als een missie van de European Space Agency (ESA). De missie zal bestaan ​​uit drie satellieten die een gelijkzijdige laserdriehoek zullen creëren met elke zijde ongeveer 2,5 miljoen kilometer lang. De afstanden van deze formatievlucht in de ruimte worden door zwaartekrachtsgolven met een biljoenste meter veranderd.

Om deze kleine veranderingen te detecteren, instrumenten (fasemeters) in de LISA-satellieten bewaken en meten het laserlicht dat ertussen wordt uitgewisseld. Deze meting moet met de hoogste precisie worden uitgevoerd - zoals een uiterst nauwkeurige microfoon met weinig ruis en lage vervorming - over een groot bereik van 8 tot 10 ordes van grootte.

LISA-metingen testen in een laboratorium

In hun artikel, beschrijven de onderzoekers een nieuwe experimentele opstelling die, Voor de eerste keer, maakt lasergebaseerde LISA-metingen in een laboratorium onder bijna realistische missieomstandigheden mogelijk en gebruikt deze om de nauwkeurigheid van de fasemeter te verifiëren.

De opstelling bestaat uit een optische bank die, door zijn speciale constructie, is zeer nauwkeurig en stabiel en elimineert zo alle ongewenste ruisbronnen tien keer beter dan eerdere experimenten. Zo kan de vereiste LISA-nauwkeurigheid in het biljoenste van een meterbereik worden bereikt.

Op de optische bank, drie op een gecontroleerde manier geproduceerde laserstralen worden paarsgewijs gesuperponeerd om zes nieuwe laserstralen met nauwkeurig gedefinieerde eigenschappen te verkrijgen. Door vakkundig drie van deze gemengde bundels over elkaar heen te leggen en hun eigenschappen te meten met de fasemeter, zijn functie kan nauwkeurig worden gecontroleerd.

Succesvolle test onder bijna realistische missieomstandigheden

De met de opstelling geteste fasemeter voldoet bijna over het gehele meetbereik van LISA aan de missie-eisen. Deze succesvolle test is de eerste onder bijna realistische omstandigheden. Het laat zien dat met de nieuwe opzet en met kleine aanpassingen, verdere centrale onderdelen van de LISA-missie kunnen onder nog realistischere omstandigheden worden getest.

"Het is cruciaal om alle details van de LISA-missie precies te begrijpen en ze van tevoren in het laboratorium te testen, " legt prof. Gerhard Heinzel uit, leider van de onderzoeksgroep voor ruimte-interferometrie bij AEI Hannover. "Alleen op deze manier kunnen we er zeker van zijn dat de complexe missie zal werken zoals gepland. Als de satellieten eenmaal in een baan rond de zon zijn, we kunnen de hardware niet meer aanpassen."

Toekomstige zwaartekrachtsgolfastronomie met LISA

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

Tussen december 2015 en juli 2017, de LISA Pathfinder-missie demonstreerde andere LISA-componenten in de ruimte en toonde aan dat ze de vereisten over de hele LISA-meetband overtroffen.

ESA voert momenteel de fase A-systeemstudie uit met het internationale LISA-consortium. Ter voorbereiding van de missie moet een voorlopig ontwerp van de ruimtecomponenten worden ontwikkeld.