LISA rymdfarkoster fullbordar banbrytande gravitationsvågobservationstest

LISA Pathfinder-uppdraget kan hjälpa oss att bättre förstå meteorer, asteroider, satelliter och de olika andra projektilerna som sipprar runt rymden med ofattbara hastigheter, men det har ett primärt mål: verifiera potentialen att observera och studera gravitationsvågor som rör sig genom rymden. Mer än 900.000 miles från jorden tog prototyp rymdfarkost ett jätte hopp närmare det målet. I ett nytt papper publicerat i Fysiska granskningsbrev, avslöjar LISA-teamet att LPF: s frikopplade tester var en banbrytande framgång som överträffade de ursprungliga förväntningarna och fungerade med en precision som är mer än fem gånger bättre än vad som ursprungligen krävdes.

När den europeiska rymdorganisationen äntligen lanserade det toppmoderna rymdfarkosten i december förra året visste vi nästan ingenting om gravitationskvällar - förutom att ha en riktigt bra förhoppning att dessa krusningar i rymdtid som förut har förmodats av Albert Einstein åtminstone existerade. Då forskare faktiskt hittades gravitationsvågor - med hjälp av ett par extremkänsliga instrument här på jordens yta för att upptäcka de mycket svaga gravitationsvågsignalerna som hade producerats av ett par massiva svarta hål som kolliderade i varandra.

LIGO-upptäckten var en välsignelse för LISA-projektet eftersom det konstaterades att gravitationella vågor verkligen var observerbara. Naturligtvis var LIGOs upptäckt något av en "rätt plats i rätt tid" slags incident. Att verkligen studera gravitationsvågor och låta oss se en inblick i vad universum ser utöver det elektromagnetiska spektrumet, måste vi kunna observera dessa slags signaler vid låga frekvenser - kanske så låg som 0,1 Hz. Det betyder att du behöver ett system som observerar små flickrar i rymdtid över avstånd så stora som miljon miles utan störningar från seismisk, termisk eller terrestrisk aktivitet. Det kommer inte att hända på jorden.

Einstein förutspådde närvaron av gravitationsvågor när han utvecklade relativitetsteorin. "Ett århundrade senare är vi här på väg mot det första storskaliga våldsobservatoriet i rymden", säger Fabio Favata, chefen för samordningskontoret för ESA: s vetenskapsdirektorat, till journalister på en presskonferens tisdag. Eftersom gravitationella vågor rör sig genom universum ohindrade, ger de vetenskapsmän en kosmologisk syn på den värld som är transparent. Favata liknade gravitationsvågor till ljudet av skogen som ger ledtrådar om vad som finns i mellan de täta tjockarna av växter av träd - hört men osynligt. Instrumentet som används för att hitta gravitationella vågor är de mikrofoner som hjälper oss att lyssna på på dessa ljud.

Vad kan gravitationstecken hjälpa oss att visa om universum? Även om det finns hopp kan de här signalerna hjälpa oss till bättre karakteriserande stjärnbefolkningar i galaktiska regioner. Den stora fördelen skulle vara att hjälpa till att bättre förstå svarta hål. Att fånga allt i närheten, inklusive ljusa, svarta hål är ett extremt mystiskt fenomen som astrofysiker vet lite om. Gravitationsvågor kan slutligen ge den typ av information vi behöver för att bedöma en mer fullständig bild av hur ett svart hål ser ut, hur det beter sig, hur det utvecklas etc.

Därför är de senaste resultaten för LISA Pathfinder-uppdraget så viktiga. I ett ideal scenario skulle vetenskapsmän upptäcka gravitationsvågor i rymden genom att lansera två eller flera föremål i rymden och hålla dem åtskilda av hundratusentals eller till och med miljontals mil och skjuta en laser mellan de objekt som kan hämta på mycket svaga signaler som gravitationsvågor.

Ett sådant projekt skulle kräva en enorm mängd tid och resurser, så du måste bevisa konceptet först innan du faktiskt kan börja experimentet själv. ESA-forskare krympte i grunden detta begrepp ner i en enda rymdfarkost - LISA Pathfinder. Inrymd inom rymdfarkosten är två två kilo guldplättmassor som släpptes i en vakuumkammare i februari, med första operationsdagen från och med den 1 mars. Föremålen är långt för nära varandra för att en mätvåg ska mätas, men LISA Pathfinder-miljön tillåter forskare att avgöra om det är möjligt för dessa objekt att uppnå perfekt fritt fall där deras rörelse endast styrs av gravitationen. Ett storskaligt observatorium skulle behöva samma typ av validering - att yttre krafter inte skulle visa otillbörlig gravitation påverkan på föremålen.

LISA Pathfinder mäter den relativa accelerationen mellan de två objekten med hjälp av en laserinterferometer som kan detektera förändringar på skalan som är lägre än tio miljoner av en miljard av jordens gravitationsacceleration - vilket motsvarar virusets vikt på jorden. Här är det som är ännu galen: Interfererande "buller" mätt av rymdfarkosten var 100 gånger lägre än vad ESA-forskare förväntade sig. Möjligheten att mäta sant fritt fall är en viktig milstolpe mot storskalig vågundersökning i yttre rymden och lägger nu LISA-projektet på en kortare väg mot det ultimata målet att bygga och lansera ett vågrätvågsobservatorium.

ESA har lagt fram ett 2034 lanseringsår för ett storskaligt vågobservatorium. Lasrar skulle mäta fluktuationer i objekt som separerades av miljontals mil i tre rymdfarkoster inrymda i triangulärt mode.