'Nieuwe fundamentele natuurkunde'
Wetenschappers verwachten met zwaartekrachtsgolven nieuwe ontdekkingen te kunnen doen over objecten als compacte dubbelsterren en samensmeltende superzware zwarte gaten, verantwoordelijk voor de grootste knallen na de oerknal. En er ligt ook compleet nieuwe fundamentele natuurkunde in het verschiet.
Zwaartekrachtsgolven
Albert Einstein voorspelde al in 1916 het bestaan van zwaartekrachtsgolven. Hij stelde zwaartekracht voor als een vervorming van de ruimtetijd: hoe zwaarder een object des te sterker de vervorming van de ruimtetijd eromheen.
Twee extreem zware objecten die snel om elkaar heen draaien of botsen, zoals samensmeltende superzware zwarte gaten, zouden bovendien rimpelingen in die ruimtetijd moeten veroorzaken. Einstein zelf dacht dat dit minieme effect nooit gemeten zou kunnen worden. Maar nieuwe precisietechnologie stelt ruimteonderzoekers nu in staat om op zoek te gaan naar deze golven, die met de lichtsnelheid door het heelal reizen.
"Zwaartekrachtsgolven leveren een uniek nieuw venster op het heelal," zegt Gijs Nelemans (Radboud Universiteit/Nikhef), leider van het Nederlandse consortium dat werkt aan eLISA, de geplande grote broer van Pathfinder. "In tegenstelling tot gewone elektromagnetische straling reizen zwaartekrachtsgolven overal dwars doorheen, van de bronnen direct naar de detectoren. Het is een compleet nieuwe manier om extreme objecten in de ruimte te bestuderen.
Technologietest
De meeste objecten zenden zwaartekrachtsgolven uit die alleen in de ruimte kunnen worden gedetecteerd. Daarom selecteerde de Europese ruimtevaartorganisatie ESA eind 2013 de eLISA-missie (evolved Laser Interferometer Space Antenna). eLISA gaat rond 2034 de ruimte in. LISA Pathfinder gaat nu eerst de precisietechnologie van eLISA testen. Het meetprincipe draait om het bepalen van de onderlinge afstand tussen vrij zwevende testmassa’s met laserinterferometrie.
Goud-platinablokjes
LISA Pathfinder heeft twee goud-platinablokjes aan boord, bijna 40 cm van elkaar, die vrij in de satelliet zweven. Dat is te dicht bij elkaar om al zwaartekrachtsgolven te kunnen detecteren. Het doel is aan te tonen dat de twee goud-platinablokjes in vrije val blijven, vrij van alle niet door de zwaartekracht veroorzaakte verstoringen. De onderzoekers doen dit door de afstand tussen de twee blokjes met atomaire precisie te meten. Hierbij wordt laserlicht als supernauwkeurige liniaal gebruikt, op dezelfde wijze als dat straks in eLISA gebeurt.
Fundamentele natuurkunde
“Hopelijk is de variatie in de afstand die LISA Pathfinder tussen de blokjes meet bijna nul,” zegt SRON-onderzoeker Martijn Smit. “Want dan weten we dat de blokjes inderdaad ongestoord rondzweven. Als ze dan straks in eLISA op enorm grote afstand van elkaar worden gezet, zien we toch alléén de variaties die door zwaartekrachtsgolven worden veroorzaakt. En dat is de bedoeling.”
"Als deze technologie zijn belofte waarmaakt, is de weg vrij voor eLISA," zegt Nelemans. "Met eLISA kunnen sterrenkundigen compacte dubbelsterren in de hele Melkweg bestuderen en samensmeltende superzware zwarte gaten tot voorbij de verste sterrenstelsels die we nu kennen. Maar waarschijnlijk levert de missie ook nieuwe fundamentele natuurkunde op. Misschien ontdekken we wel nieuw bewijsmateriaal voor de inflatietheorie. In feite kijken we naar alles wat de structuur van de ruimte door elkaar heeft geschud."
Lancering
Pathfinder wordt naar verwachting op 2 december gelanceerd vanaf de Europese lanceerbasis in Kourou in Frans-Guyana, aan boord van een Vega-draagraket. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA verwacht dat Pathfinder begin 2016 aankomt in zijn definitieve baan om de zon, op 1,5 miljoen km van de aarde.
Nederland
Nederlandse ingenieurs en wetenschappers zijn nauw betrokken bij beide missies. SRON heeft in de aanloop naar de lancering testapparatuur ontwikkeld voor LISA Pathfinder. TNO heeft al verschillende systemen getest en ontwikkeld, waaronder een systeem dat ervoor zorgt dat de laserbundels van eLISA exact op de goede plek terechtkomen, zelfs over een afstand van 5 miljoen km.
Nikhef is als lid van de LIGO Virgo Collaboration al sinds 2007 intensief betrokken bij onderzoek naar gravitatiegolven. “In de toekomst willen we de precisietechnologie ontwikkeld voor Advanced Virgo, verfijnen voor eLISA,” zegt Jo van den Brand, wetenschappelijk programmaleider bij Nikhef. Nikhef, TNO, NOVA, Universiteit Twente en SRON werken samen in de technologieontwikkeling voor eLISA.
Op wetenschappelijk gebied bundelen onderzoekers van Nikhef, de Radboud Universiteit, Universiteit van Amsterdam, Universiteit Leiden, Rijksuniversiteit Groningen, de Vrije Universiteit en SRON de krachten. Zij gaan behalve met eLISA ook metingen verrichten met de Italiaans/Frans/Nederlandse VIRGO-detector, de Nederlandse BlackGEM-telescoop en de Europese Pulsar Timing Array, die zwaartekrachtsgolven van andere frequenties en hun elektromagnetische tegenhangers gaan waarnemen.