Lähes 100 vuoden ajan tutkijat ovat etsineet suoria todisteita painovoima-aaltojen olemassaolosta, jotka heikentävät väreilyä avaruusajan kankaassa, joka ennustettiin Albert Einsteinsin yleisen suhteellisuusteorian teoriassa. Nykyään painovoima-aaltojen metsästyksestä on tullut maailmanlaajuinen ponnistus, johon osallistuu satoja tutkijoita. Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Japanissa on kehitetty joukko suuria, maassa sijaitsevia palveluita, mutta kaikkein hienostunein haku tapahtuu pian avaruudessa.
Professori Mike Cruise puhuu tiistaina 5. huhtikuuta RAS: n kansallisessa tähtitieteellisessä kokouksessa Birminghamissa ESA: n ja NASA: n yhteishanketta nimeltä LISA (laserinterferometrinen avaruusantenni). Vuonna 2012 ajoitettaviksi julkaistava LISA koostuu kolmesta auringon ympärillä lentävästä avaruusaluksesta, mikä on suurin koskaan kiertoradalle asetettu tieteellinen instrumentti.
LISA: n odotetaan tarjoavan parhaat menestysmahdollisuudet kiinnostavien, matalataajuisten painovoima-aaltojen etsinnässä, professori Cruise sanoi. Operaatio on kuitenkin yksi monimutkaisimmista, teknologisista haasteista, joita koskaan on toteutettu. Einsteins-teorian mukaan painovoima-aallot johtuvat suurten massojen (esim. Neutronitähtien tai mustien reikien) liikkeestä maailmankaikkeudessa. Painovoima vaikutus kaukaisten esineiden välillä muuttuu massien liikkuessa samalla tavalla kuin liikkuvat sähkövaraukset luovat sähkömagneettisia aaltoja, jotka radiolaitteet ja televisiot voivat havaita.
Erittäin kevyen atomihiukkasen, kuten elektronin, tapauksessa liike voi olla erittäin nopea, joten se tuottaa aaltoja laajalla taajuusalueella, mukaan lukien vaikutukset, joita kutsumme valoon ja röntgensäteisiin. Koska esineet, jotka tuottavat painovoima-aaltoja, ovat paljon suurempia ja massiivisempia kuin elektronit, tutkijoiden odotetaan havaitsevan paljon alemman taajuuden aaltoja sekunnin murto-osasta useisiin tunteihin.
Aallot ovat todellakin erittäin heikkoja. Ne paljastuvat muuttuvana venytyksenä ja supistuneena testimassojen välisen etäisyyden välillä, jotka on ripustettu liikkeelle sallimalla tavalla. Jos kaksi tällaista testimassaa olisivat yhden metrin päässä toisistaan, niin tällä hetkellä etsimällä olevan lujuuden painovoima-aallot muuttaisivat niiden etäisyyttä vain 10e-22 metriä tai yksi kymmenestuhannesosa miljoonasosaan miljoonan miljoonan metrin metristä.
Tämä erotuksen muutos on niin pieni, että testimassojen estäminen paikallisten esineiden painovoiman vaikutuksesta ja maan itse seisminen melu tai vapina on todellinen ongelma, joka rajoittaa ilmaisimien herkkyyttä. Koska jokainen metrin pituus testimassojen välisessä etäisyydessä aiheuttaa erikseen etsittäviä pieniä muutoksia, massojen välisen erotuksen pituuden lisääminen aiheuttaa suuremman kokonaismuutoksen, joka voitaisiin havaita. Seurauksena on, että painovoima-aaltoilmaisimet tehdään mahdollisimman suuriksi.
Nykyiset maanpäälliset ilmaisimet kattavat muutaman kilometrin etäisyydet ja niiden pitäisi pystyä mittaamaan millisekunnin ajan nopeasti pyörivät esineet, kuten tähtien räjähdyksistä jääneet neutronitähdet tai paikallisen galaktisen naapurustomme esineiden väliset törmäykset. Rakennuksenilmaisimista on kuitenkin erittäin kiinnostunut etsimään massiivisten mustien reikien välisiä törmäyksiä, jotka tapahtuvat täydellisten galaksien sulautumisen aikana. Nämä väkivaltaiset tapahtumat tuottaisivat signaaleja erittäin alhaisilla taajuuksilla - liian alhaisia havaittaviksi maan satunnaisen seismisen melun yläpuolella.
Vastaus on mennä avaruuteen kaukana tällaisista häiriöistä. LISA: n tapauksessa kolme avaruusalusta lentävät muodostumassaan, 5 miljoonan kilometrin päässä toisistaan. Niiden välillä kulkevat lasersäteet mittaavat painovoima-aaltojen aiheuttamat erottelumuutokset tarkkuudella noin 10 pikometriä (satatuhannesosa miljoonasosaa metriä). Koska kunkin avaruusaluksen testimassat on suojattava erilaisilta häiriöiltä, joita avaruudessa ladatut hiukkaset aiheuttavat, ne on sijoitettava avaruusaluksen tyhjiökammioon. Tarvittava tarkkuus on 1 000 kertaa vaativampi kuin koskaan aikaisemmin on saavutettu avaruudessa, joten ESA valmistelee lasermittausjärjestelmän testilentoa LISA Pathfinder -nimellä tehtävässä, jonka on tarkoitus aloittaa vuonna 2008.
Tutkijat Birminghamin yliopistosta, Glasgow'n yliopistosta ja Imperial College Londonista valmistelevat parhaillaan instrumentteja LISA Pathfinderille yhteistyössä ESA: n ja kollegoiden kanssa Saksassa, Italiassa, Hollannissa, Ranskassa, Espanjassa ja Sveitsissä. Kun LISA toimii kiertoradalla, odotamme tarkkailevan maailmankaikkeutta painovoima-aaltojen tarjoaman uuden ikkunan kautta, sanoi Cruise. Neutronitähtien ja massiivisten mustien reikien lisäksi voimme pystyä havaitsemaan Ison Paineen kaiun painovoima-aalloista, jotka emittoivat pieniä sekunnin murto-osia tapahtuman jälkeen, joka aloitti maailmankaikkeuden nykyisen evoluutionsa.
Alkuperäinen lähde: RAS-lehdistötiedote
