Satellieten gaan verborgen krachten van ruimte meten

De jacht op gravitatiegolven begint nu echt. Europa en de VS werken samen aan een ambitieus project, dat gravitatiegolven moet vinden van dubbelsterren in onze eigen Melkweg tot in de verste uithoeken van het heelal. Het project LISA (Laser Interferometer Space Antenna) bestaat uit het lanceren van een testsatelliet in 2011 en nog drie grotere satellieten een paar jaar later.

Het basisidee gaat terug op Einsteins relativiteitstheorie. Hieruit volgt dat een lichaam dat versnelt gravitatiegolven uitzendt. Zo werkt het bij een radiozender ook: als we elektronen laten trillen in een antenne door in een microfoon te praten, gaan er radiogolven op weg: trillende elektrische en magnetische velden.

Vierdimensionaal ruimtetijd te vergelijken met membraan

Er is echter een fundamenteel verschil tussen radiogolven en gravitatiegolven. Radiogolven zijn trillingen in de ruimte; gravitatiegolven verspreiden zich door de ruimte zelf te laten trillen. In Einsteins relativiteitstheorie is er sprake van een vierdimensionale ruimtetijd, die met een membraan te vergelijken is.

Als we een massa aanbrengen op het membraan, ontstaat er een verdieping, afhankelijk van de grootte van de massa. Wordt de massa in trilling gebracht, dan plant die trilling zich voort in het membraan in de vorm van een golf. Dit komt overeen met de vervorming van de ruimtetijd.

Zo’n gravitatiegolf beïnvloedt alles op zijn weg, want als de ruimte zelf vervormt, verandert ook de afstand tussen lichamen een beetje. ‘Een beetje’ dient heel letterlijk te worden opgevat, want de berekende veranderingen zijn zo klein dat ze bijna niet meetbaar zijn.

Schommelen op ruimtetijd

De Europese ruimtevaartorganisatie ESA gaat deze uitdaging samen met NASA aan. Ze gaat proberen de gravitatiegolven op te vangen door te meten hoe ze de afstand tussen drie satellieten, die in een zeer nauwkeurige formatie zweven, kan veranderen. Als een gravitatiegolf door het zonnestelsel beweegt, ‘schommelen’ de satellieten op de ruimtetijd als een kurk op het water. Een geavanceerd lasersysteem meet hoe de onderlinge afstand tussen de satellieten verandert.

Het lijkt een simpel principe maar het is een technische uitdaging van formaat. Daarom gaat het met kleine stapjes. Het eerste stapje wordt door ESA gezet met de lancering van LISA Pathfinder, die dit voorjaar gepland staat. LISA Pathfinder is een test­satelliet, die de benodigde meettechniek moet testen zonder zelf gravitatiegolven te meten.

Microraketten sturen satelliet nauwkeurig bij

De Pathfinder is een 420 kilo zware satelliet. Hij bevat twee blokjes van goud en platina met zijden van 46 millimeter, die in aparte vacuümruimtes zitten. Ook is de Pathfinder uitgerust met een paar microraketten, die werken door druppeltjes vloeistof uit te scheiden. De raketjes zijn heel zwak, maar kunnen de satelliet tot op de nanometer bijsturen.

Het is de bedoeling om een ‘drag free-satelliet’ te maken, die alleen beweegt onder invloed van de zwaartekracht. Een satelliet wordt doorgaans ook beïnvloed door de zonnewind, de stralingsdruk van het zonlicht en variaties in het magneetveld van de zon. Die kleine invloeden zijn weliswaar vaak te verwaarlozen, maar ze zijn toch groot genoeg om de werking van een gravitatiegolf te maskeren.

De twee blokjes worden nauwkeurig in het midden van de vacuümruimte gehouden. Ze zijn afgeschermd van alle invloeden van buitenaf en beschrijven zo een baan die alleen bepaald wordt door de zwaartekracht. Door de allerkleinste afwijkingen in de positie van de blokjes verplaatsen de microraketjes de satelliet al, tot de blokjes weer in het midden zitten. Door steeds te corrigeren voor invloeden van buitenaf kan de satelliet een baan beschrijven die alleen bepaald wordt door de zwaartekracht.

Klik in het venster rechts om een animatie te zien van de geplande LISA-missie