I næsten 100 år har forskere søgt efter direkte bevis på eksistensen af tyngdekraftsbølger, der svimler krusninger i stoffet fra rumtiden forudsagt i Albert Einsteins teori om generel relativitet. I dag er jagt på tyngdekraftsbølger blevet en verdensomspændende indsats, der involverer hundreder af forskere. Der er udviklet en række store, landbaserede faciliteter i Europa, USA og Japan, men den mest sofistikerede søgning efter alle vil snart finde sted i rummet.
Ved at tale tirsdag den 5. april på RAS National Astronomy Meeting i Birmingham, vil professor Mike Cruise beskrive et fælles ESA-NASA-projekt kaldet LISA (Laser Interferometric Space Antenna). LISA er planlagt til lancering i 2012 og vil bestå af tre rumfartøjer, der flyver i formation omkring Solen, hvilket gør det til det største videnskabelige instrument nogensinde anbragt i bane.
LISA forventes at give den bedste chance for succes i søgen efter de spændende tyngdekraftsbølger med lav frekvens, sagde professor Cruise. Missionen er dog en af de mest komplekse, teknologiske udfordringer nogensinde er blevet taget. I henhold til Einsteins teori er tyngdekraftbølger forårsaget af bevægelse af store masser (f.eks. Neutronstjerner eller sorte huller) i universet. Tyngdekraftpåvirkningen mellem fjerne objekter ændrer sig, når masserne bevæger sig, på samme måde som bevægelige elektriske ladninger skaber de elektromagnetiske bølger, som radioapparater og tv'er kan registrere.
I tilfælde af en meget let atompartikel, såsom elektron, kan bevægelsen være meget hurtig, så der genereres bølger ved et bredt frekvensområde, inklusive de effekter, vi kalder lys og røntgenstråler. Da objekterne, der genererer tyngdekraftsbølger, er meget større og massivere end elektroner, forventer forskere at registrere bølger med meget lavere frekvens med perioder fra fraktioner på et sekund til flere timer.
Bølgerne er faktisk meget svage. De afslører sig som en skiftevis strækning og sammentrækning af afstanden mellem testmasser, der er ophængt på en måde, der giver dem mulighed for at bevæge sig. Hvis to sådanne testmasser var en meter fra hinanden, ville tyngdekraften i den styrke, der i øjeblikket søges, ændre deres adskillelse med kun 10e-22 af en meter eller en ti tusindedel af en milliondel af en milliondel af en milliondel af en meter.
Denne ændring i adskillelse er så lille, at det er et reelt problem, der begrænser følsomheden af detektorerne, at forhindre, at testmasserne forstyrres af tyngdekraften fra lokale genstande, og den seismiske støj eller skælvning af jorden selv. Da hver meters længde i afstanden mellem testmasserne giver anledning til separat til de små ændringer, der søges efter, øger længden af adskillelsen mellem masserne en større samlet ændring, der kunne detekteres. Som en konsekvens bliver tyngdekraftsdetektorer lavet så store som muligt.
Aktuelle jordbaserede detektorer dækker afstande på et par kilometer og skulle være i stand til at måle millisekunders perioder med hurtigt roterende objekter, såsom neutronstjerner, der er tilbage fra stellare eksplosioner, eller kollisionerne mellem objekter i vores lokale galaktiske kvarter. Der er dog en stor interesse i at bygge detektorer for at søge efter sammenstødene mellem massive sorte huller, der finder sted under fusioner af komplette galakser. Disse voldelige begivenheder ville generere signaler med meget lave frekvenser - for lave til at kunne overholdes over jordens tilfældige seismiske støj.
Svaret er at gå ud i rummet væk fra sådanne forstyrrelser. I tilfælde af LISA vil de tre rumfartøjer flyve i formation, med 5 millioner kilometer fra hinanden. Laserstråler, der bevæger sig imellem dem, måler ændringerne i adskillelse forårsaget af tyngdekraftsbølger med en præcision på ca. 10 picometres (hundrede tusindedel af en milliondel meter). Da testmasserne på hvert rumfartøj skal beskyttes mod forskellige forstyrrelser, der er forårsaget af ladede partikler i rummet, skal de opbevares i et vakuumkammer i rumfartøjet. Den krævede præcision er 1.000 gange mere krævende, end der nogensinde er opnået i rummet før, og derfor forbereder ESA en testflyvning af lasermålesystemet i en mission kaldet LISA Pathfinder, der skal lanceres i 2008.
Forskere fra University of Birmingham, University of Glasgow og Imperial College London forbereder i øjeblikket instrumenteringen til LISA Pathfinder i samarbejde med ESA og kolleger i Tyskland, Italien, Holland, Frankrig, Spanien og Schweiz. Når LISA opererer i kredsløb, forventer vi at observere universet gennem det nye vindue, der tilbydes af tyngdekraftsbølger, sagde Cruise. Ud over neutronstjerner og massive sorte huller, er vi muligvis i stand til at registrere ekkoerne fra Big Bang fra tyngdekraften, der udsendte små fraktioner et sekund efter den begivenhed, der startede vores univers på dets nuværende udvikling.
Original kilde: RAS News Release
