Et fysikforsøg uden sidestykke tager snart sin begyndelse. To terninger fremstillet af guld og platin skal svæve frit i vakuumkamre, 38 centimeter fra hinanden. Her skal de være i frit fald, mens afstanden mellem dem måles med en nøjagtighed på 1 picometer – en milliardtedel af en millimeter. Og det hele skal foregå i et rumfartøj halvanden million kilometer fra Jorden.
Projektet hedder LISA Pathfinder, og det er den europæiske rumfartsorganisation, ESA, der står bag. Formålet er teste den teknologi, der skal anvendes i en fremtidig rumbaseret tyngdebølgedetektor.
Læs også: Krusninger i rumtiden skal afsløre neutronstjerner og sorte huller
Onsdag 2. december vil en Vega- raket løfte sig fra det europæiske rumcenter i Fransk Guyana i Sydamerika, og raketten vil sende rumfartøjet ud i en elliptisk bane om Jorden. Herfra vil LISA Pathfinder finde vej ud til et kredsløb omkring Lagrangepunkt 1, halvanden millioner kilometer fra Jorden i retning mod Solen.
Vel ude i rummet bliver testmasserne sat fri. Mekaniske fingre løsner grebet om de to ædelmetalterninger, der hver har en sidelængde på 46 millimeter og en vægt på 1,96 kg. Så begynder den uhyre nøjagtige formationsflyvning mellem de tre objekter: testmasserne og fartøjet omkring dem.
Ved hjælp af laserinterferometri måles afstanden mellem de to terninger, og elektrostatiske sensorer måler afstanden mellem terningerne og væggene i vakuumkamrene – en afstand, der skal holdes på fire millimeter.
Læs også: Krusninger i rumtiden skal afsløre neutronstjerner og sorte huller
Så vil det vise sig, om det er muligt at forhindre testmasserne i at blive påvirket af andre kræfter end tyngdekraften, når de bevæger sig rundt ude i rummet. Eksperimentet vil vise, om de virkelig kan være i frit fald.
Ifølge Einsteins almene relativitetsteori, der netop har rundet 100 år, skal tyngdekraften ikke forstås som en kraft mellem legemer, som Newton gjorde det. Den skal i stedet opfattes som en ændring af rumtidens geometri, og upåvirket af andre kræfter vil et legeme følge en geodætisk linje – en lige linje i den rumtid, der er blevet krummet af de tilstedeværende masser. Spørgsmålet er så, om testmasserne nu også følger denne geodætiske linje i rumtiden.
Rumtiden skvulper
Testmasser, der udelukkende påvirkes af tyngdekraften, er nødvendige, hvis man vil måle små forstyrrelser i selve rumtiden. Einstein fandt ud af, at når masser accelererer i forhold til hinanden, taber de energi i form af tyngdebølger – små rumtidskrusninger, der udbreder sig med lysets hastighed.
På omtrent samme måde som en accelereret ladning udsender elektromagnetiske bølger, vil accelererede masser udsende tyngdebølger, som ændrer rum og tid, hvor de når frem.
Læs også: Tid er tidens store problem
De kraftigste tyngdebølger skabes af meget tætte og massive objekter – neutronstjerner eller sorte huller – der kredser tæt om hinanden. Fysikerne håber på at detektere sådanne tyngdebølger ved at måle, hvordan afstande ændrer sig, når bølgerne når frem til os. En passerende krusning i rumtiden vil betyde, at alting bliver længere på den ene led og kortere på den anden, og det burde kunne måles med det rette udstyr.
Ny generation detektorer
Indtil nu er det ikke lykkedes at detektere tyngdebølger direkte, men på landjorden er en ny generation af tyngdebølgedetektorer netop taget i brug, og fysikerne er ret sikre på, at der snart er gevinst. Detektorerne er baseret på laserinterferometre med to arme, der er vinkelrette på hinanden.
En tyngdebølge afslører sig ved, at den ene arm bliver lidt kortere, mens den anden bliver lidt længere. Effekten er uhyre lille – måske kun svarende til en titusindedel af diameteren af en atomkerne – men den skulle altså være målbar med de nye amerikanske detektorer, hvor hver arm er 4 km lang.
Læs også: Hip hip hurra: Den generelle relativitetsteori fylder 100 år
Når astrofysikerne også vil have en rumbaseret tyngdebølgedetektor, er det, fordi de vil måle bølger med forskellige bølgelængder. Præcis som et optisk teleskop og et radioteleskop kan give helt forskellige informationer om det univers, vi lever i, vil tyngdebølgedetektorer med forskellige armlængder gøre forskerne klogere på forskellige fænomener.
LISA Pathfinder er opvarmningen til en tyngdebølgedetektor, der skal have arme på en million kilometer, og sådan en må nødvendigvis placeres i rummet, hvor der er god plads.
Rent europæisk projekt
Den planlagte rumbaserede tyngdebølgedetektor var længe kendt som LISA (Laser Interferometer Space Antenna Project) og skulle udvikles i et samarbejde mellem ESA og det amerikanske modstykke Nasa. Imidlertid trak Nasa sig i 2011 fra projektet af økonomiske årsager, og hos ESA stod man tilbage med en næsten færdigbygget LISA Pathfinder, der altså er designet til at teste den teknologi, der skal gøre LISA mulig.
Nu forsøger et konsortium af forskere fra Danmarks Tekniske Universitet og fra universiteter og forskningscentre i Frankrig, Holland, Italien, Schweiz, Spanien, Storbritannien og Tyskland, støttet af amerikanske kolleger, at give drømmen om et rumobservatorium nye vinger.
LISA-missionen er i gang med at blive reformuleret under navnet eLISA (evolved LISA), og hvis de nye planer finder opbakning hos ESA, kan den rumbaserede tyngdebølgedetektor blive virkelighed i 2034.
Kan måle galaksesammenstød
Hvor detektorerne på landjorden vil være gode til at måle tyngdebølger fra supernovaer og fra små sorte huller og neutronstjerner, der kredser tæt om hinanden, vil eLISA navnlig vise sin styrke, når det gælder om at detektere supermassive sorte huller i kredsløb om hinanden.
Når galakser smelter sammen, vil de store sorte huller, der gemmer sig centralt i galakserne, også gøre det, og i den forbindelse vil der udsendes kraftige tyngdebølger med frekvenser, som eLISA vil kunne måle.
Forskerne håber selvfølgelig, at de også vil kunne detektere andre former for signaler, der kan gøre os klogere på universets udvikling.
Men allerførst gælder det om at demonstrere, at objekter kan bevæge sig fuldstændig upåvirket af andet end tyngdekraften. Det er her, LISA Pathfinders opgave ligger. Hvis det er muligt, kan man få eLISA’s tre rumfartøjer til at arbejde sammen som et enormt laserinterferometer, så man kan måle, hvordan rumtiden bøjer og strækker sig derude.
