Satelliter skall mäta universums dolda krafter

Nu börjar på allvar jakten på gravitationsvågor. Europa och USA samarbetar om ett ambitiöst projekt, som skall göra det möjligt att hitta gravitationsvågor överallt från de mest avlägsna delarna av universum till dubbelstjärnor i vår egen Vintergata.

Projektet heter LISA (Laser Interferometer ­Space Antenna) och omfattar uppskjutningen av en provsatellit 2011 och tre större satelliter några år senare.

Idén bakom LISA kan härledas till Einsteins relativitetsteori. Den säger att kroppar som accelererar sänder ut gravitationsvågor. Principen är densamma som i en radiosändare. När vi får elektroner att svänga i en antenn genom att tala i en mikrofon, utsänds radiovågor som är svängande elektromagnetiska fält.

Fyrdimensionell rumtid kan jämföras med gummihinna

Det finns dock en helt fundamental skillnad mellan radiovågor och gravitationsvågor. Radiovågor är svängningar i rummet, medan gravitationsvågor breder ut sig genom att sätta själva rummet i svängning. I relativitetsteorin talar vi om en fyrdimensionell rumtid, som på många sätt kan jämföras med en gummihinna. Placerar vi en massa på hinnan, får vi en fördjupning som beror av massans storlek. Sätts massan i svängning, fortplantas svängningen till gummihinnan i form av en våg – motsvarande att själva rumtiden deformeras.

En sådan gravitationsvåg kan ju inte undgå att påverka allt i sin väg, för när själva rummet deformeras ändras också avstånden mellan kropparna en aning. ”En aning” skall tolkas bokstavligt, för de beräknade ändringarna är så små att de är nästan på gränsen till det mätbara.

Satelliter guppar på rumtiden

Nu har den europeiska rymdfartsstyrelsen ESA tillsammans med NASA tagit sig an utmaningen. Man skall försöka fånga upp gravitationsvågorna genom att mäta hur de kan ändra avståndet mellan tre satelliter som flyger i en mycket exakt formation. Passerar en våg genom solsystemet, kommer de tre satelliterna så att säga att guppa på rumtiden som korkar på en vattenyta. Ett lasersystem skall mäta hur de inbördes ­avstånden mellan satelliterna förändras.

Även om principen är enkel, är det frågan om en formidabel teknisk utmaning. Därför går man fram med små steg. Det första tas av ESA i och med uppskjutningen av LISA Pathfinder, vilken är planerad till denna vår. LISA Pathfinder är en testsatellit, som har till uppgift att testa den nödvändiga mättekniken utan att själva registrera gravitationsvågor.

Mikroraketer styr satelliten exakt

Pathfinder är en 420 kilo tung satellit, som i sitt inre har två små kuber av platina och guld. De har en sidolängd av 46 millimeter och sitter i varsin vakuumkammare. Dessutom är Pathfinder utrustad med en uppsättning mikroraketer, som fungerar genom att slunga ut små droppar vätska. Raketerna är oerhört svaga, men kan i gengäld styra satellitens position med nanometerprecision.

Idén bakom försöket är att skapa en så kallad ”drag free”-satellit, alltså en satellit som rör sig under inflytande av tyngdkraften och inget annat. Normalt påverkas en satellit av bland annat solvinden, solljusets strålningstryck och variationer i solens magnetfält. Oftast ignorerar man dessa små påverkningar, men de är stora nog att skymma effekten av en gravitationsvåg.

Det man nu gör är att hela tiden hålla de små kuberna precis i mitten av vakuumkammaren. De är avskärmade från alla påverkningar utifrån och följer därför en bana som bestäms enbart av tyngdkraften. Minsta avvikelse i kubernas position får mikroraketerna att tändas och flytta satelliten tills kuberna åter är på plats i centrum. Genom att ofta justera satelliten för inverkan utifrån får man själva satelliten att följa en bana, som bestäms enbart av tyngdkraften.

Klicka i boxen till höger så får du se en animation av det planerade LISA-uppdraget