Under nästan 100 år har forskare letat efter direkta bevis på förekomsten av tyngdkraftsvågor som svimmar krusningar i tyget av rymdtiden som förutspåddes i Albert Einsteins teori om allmän relativitet. Idag har jakten på gravitationvågor blivit en världsomspännande insats som involverar hundratals forskare. Ett antal stora, markbaserade anläggningar har utvecklats i Europa, USA och Japan, men den mest sofistikerade sökningen av alla kommer snart att äga rum i rymden.
Professor Mike Cruise talar på tisdagen den 5 april vid RAS National Astronomy Meeting i Birmingham och beskriver ett gemensamt ESA-NASA-projekt som heter LISA (Laser Interferometric Space Antenna). LISA planeras för lansering 2012 och kommer att bestå av tre rymdskepp som flyger i formationer runt solen, vilket gör det till det största vetenskapliga instrumentet som någonsin har placerats i omloppsbana.
LISA förväntas ge den bästa chansen att lyckas i jakten på de spännande vågorna med låg frekvens, säger professor Cruise. Uppdraget är emellertid en av de mest komplexa, tekniska utmaningar som någonsin har genomförts. Enligt Einsteins teori orsakas gravitationvågor av rörelsen av stora massor (t.ex. neutronstjärnor eller svarta hål) i universum. Gravitationspåverkan mellan avlägsna objekt förändras när massorna rör sig, på samma sätt som rörliga elektriska laddningar skapar de elektromagnetiska vågorna som radioapparater och TV-apparater kan upptäcka.
När det gäller en mycket lätt atompartikel, som elektron, kan rörelsen vara mycket snabb, så att generera vågor vid ett brett frekvensområde, inklusive effekterna vi kallar ljus och röntgenstrålar. Eftersom objekten som genererar tyngdkraftsvågor är mycket större och mer massiva än elektroner, förväntar sig forskare att upptäcka mycket lägre frekvensvågor med perioder som sträcker sig från fraktioner på en sekund till flera timmar.
Vågorna är väldigt svaga. De avslöjar sig som en växelsträckning och sammandragning av avståndet mellan testmassorna som är upphängda på ett sätt som gör att de kan röra sig. Om två sådana testmassor var en meter från varandra, skulle tyngdkraftsvågorna för den styrka som för närvarande eftersträvas ändra deras separering med endast 10e-22 av en meter, eller en tiotusendel av en miljondel av en miljondel av en meter.
Denna förändring i separationen är så liten att förhindrande av att testmassorna störs av gravitationseffekten av lokala föremål och det seismiska bruset eller skakningen av jorden själv, är ett verkligt problem som begränsar känsligheten hos detektorerna. Eftersom varje meters längd i avståndet mellan testmassorna ger upphov separat till de små förändringarna som söks, ökar längden på separationen mellan massorna en större total förändring som kunde detekteras. Som en konsekvens görs gravitationvågsdetektorer så stora som möjligt.
Nuvarande markbaserade detektorer täcker avstånd på några kilometer och borde kunna mäta millisekundperioderna för snabbt roterande föremål som neutronstjärnor kvar från stellar explosioner eller kollisionerna mellan föremål i vårt lokala galaktiska kvarter. Det finns dock ett starkt intresse för att bygga detektorer för att söka efter kollisionerna mellan massiva svarta hål som äger rum under sammanslagningar av kompletta galaxer. Dessa våldsamma händelser skulle generera signaler med mycket låga frekvenser - för låga för att observeras över jordens slumpmässiga seismik.
Svaret är att gå ut i rymden, bort från sådana störningar. När det gäller LISA kommer de tre rymdskeppet att flyga i formation, med 5 miljoner kilometer från varandra. Laserstrålar som reser mellan dem kommer att mäta förändringarna i separationen som orsakas av tyngdkraftsvågor med en precision på cirka 10 bildmätare (en hundra tusendels miljon av en meter). Eftersom testmassorna på varje rymdfarkoster måste skyddas från olika störningar som orsakas av laddade partiklar i rymden, måste de hysas i en vakuumkammare i rymdskeppet. Precisionen som krävs är 1 000 gånger mer krävande än någonsin har uppnåtts i rymden tidigare och därför förbereder ESA en testflygning av lasermätningssystemet i ett uppdrag som heter LISA Pathfinder, som kommer att lanseras 2008.
Forskare från University of Birmingham, University of Glasgow och Imperial College London förbereder för närvarande instrumenteringen för LISA Pathfinder i samarbete med ESA och kollegor i Tyskland, Italien, Holland, Frankrike, Spanien och Schweiz. När LISA arbetar i omloppsbana förväntar vi oss att observera universum genom det nya fönstret som erbjuds av gravitationvågor, sa Cruise. Förutom neutronstjärnor och massiva svarta hål, kanske vi kan upptäcka ekon från Big Bang från gravitationvågor som släpptes små bråk på en sekund efter händelsen som startade vårt universum på dess nuvarande utveckling.
Originalkälla: RAS News Release
