Vandaag heeft de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA het licht op groen gezet voor de allereerste ruimtemissie gewijd aan de detectie van zwaartekrachtgolven. Met de formele adoptie van de LISA-missie door ESA komen de voorbereidingen rond deze ruimtetelescoop in een stroomversnelling. Na lancering in 2035 moet LISA de eerste waarnemingen van zwaartekrachtgolven vanuit de ruimte mogelijk maken. De Belgische activiteiten rond LISA worden sinds 2016 aangestuurd vanuit KU Leuven, onder leiding van kosmoloog Thomas Hertog.
De Laser Interferometer Space Antenna, kortweg LISA, zal bestaan uit drie afzonderlijke ruimtetuigen. Samen vormen deze ruimtetuigen een reusachtige driehoek, die de aarde al wentelend lijkt te volgen in haar baan rond de zon. De zijden van deze driehoek zijn 2,5 miljoen kilometer lang, ruim 6 keer langer dan de afstand tussen de aarde en de maan. Zo wordt LISA het grootste experiment ooit. Met behulp van lasers worden de lengtes van de zijden van de driehoek nauwlettend in de gaten gehouden. Hierbij wordt het principe van een interferometer gebruikt: door laserbundels van deze ruimtetuigen te laten “interfereren” – interageren met elkaar – kan men de afstanden tussen de ruimtetuigen nauwkeurig meten en monitoren.
Einsteins relativiteitstheorie voorspelt immers dat de lengtes van de zijden lichtjes variëren wanneer zwaartekrachtgolven door de driehoek passeren. "Zwaartekrachtgolven zijn in zeker zin pure geometrie", vertelt kosmoloog professor Hertog. "Er komen geen deeltjes aan te pas. Het zijn minuscule rimpelingen in het weefsel van de ruimte, die voortdurend worden opgewekt door tal van hoogenergetische fenomenen in het universum, gaande van botsende zwarte gaten tot supernova explosies van stervende sterren. Zij verspreiden zich vervolgens aan de lichtsnelheid door het heelal. Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst rechtstreeks waargenomen in 2015 met de LIGO-detector in de Verenigde Staten. Die golven bleken afkomstig van de botsing van twee zwarte gaten 1,3 miljard jaar geleden."
Holy grail
Het idee om zwaartekrachtgolven te detecteren vanuit de ruimte bestaat al sinds de jaren 1970. De eerste schetsen van de driehoeksconfiguratie die zou uitgroeien tot de LISA-missie dateren van die periode. Maar zwaartekrachtgolven zijn nu eenmaal bijzonder kleine trillingen – het ruimteweefsel is extreem stijf. Nu pas, 50 jaar later, lijken de grote technologische uitdagingen bij dit soort detectoren onder controle. Een belangrijke rol hierin werd gespeeld door LISA Pathfinder, een in 2015 gelanceerd ruimtetuig dat als testplatform voor LISA fungeerde. Mede door het succes van LISA Pathfinder, en de bevestiging van het bestaan van zwaartekrachtgolven in 2015, werd het LISA-idee definitief gelanceerd. De overdracht aan ESA op 25 januari is de definitieve stap richting de bouw van LISA, iets wat de volgende 10 jaar in beslag zal nemen.
De extreem grote driehoek laat LISA toe om zwaartekrachtgolven met veel langere golflengtes waar te nemen dan de golven die de LIGO-detector of de toekomstige Einsteintelescoop op aarde opvangen. Zo komen een hele resem nieuwe bronnen in het vizier, gaande van de versmelting van enorme zwarte gaten bij de botsing van melkwegstelsels, tot de zachte ruis van zwaartekrachtgolven die mogelijk opgewekt werden kort na de oerknal. Ook in België wordt reikhalzend uitgekeken naar deze nieuwe mijlpaal. Wat is de holy grail van deze nieuwe vorm van astronomie?
"Einstein voorspelde het bestaan van zwaartekrachtgolven al in 1916", vertelt Hertog verder. "Maar we weten ook dat zijn theorie niet opgaat in zwarte gaten en bij de oerknal. En wij zijn ervan overtuigd dat zwaartekrachtgolven vanuit die extreme uithoeken van ons heelal ons iets kunnen vertellen over waar en hoe het fout loopt met Einstein's theorie."
De Belgische activiteiten rond LISA worden sinds 2016 aangestuurd vanuit KU Leuven, onder leiding van Hertog. "Naast het modelleren van bronnen van zwaartekrachtgolven, een activiteit die zich ontplooit in samenwerking met ULB, coördineert KU Leuven verschillende instrumentatieactiviteiten voor LISA samen met de Belgische industrie. Deze Belgische LISA-activiteiten worden gefinancierd door de POD Wetenschapsbeleid (BELSPO) via het ESA Science Programme en het ESA PRODEX Programme", vertelt professor Hertog. Later in 2024 start het team van professor Hertog met de uitbouw van de simulatiesoftware die zal toelaten om de toekomstige observaties van LISA te simuleren.
Deze digital twin zal de meer dan 1500 wetenschappers betrokken bij LISA een ultieme tool bieden om hun wetenschappelijk onderzoek met de gegevens van LISA voor te bereiden. Dat zal geen overbodige luxe zijn, want door de LISA-driehoek zal er permanent een symfonie van zwaartekrachtgolven weerklinken die wordt opgewekt door duizende bronnen in de kosmos. Om die partituur te 'lezen' en de fysica van die bronnen te begrijpen, zullen we LISA door en door moeten kennen. De digital twin die we ontwikkelen, zal daarin een cruciale rol spelen. Maar voor de echte antwoorden op de grote kosmische vragen die wetenschappers met LISA willen beantwoorden, wordt het nog even geduld oefenen.
Bron: KU Leuven
