Skal jakte på gravitasjonsbølger i verdensrommet

Programstyret i den europeiske romorganisasjonen ESAs vitenskapsprogram har godkjent LISA (Laser Interferometer Space Antenna), som det tredje store romoppdraget i ESAs Cosmic Vision-program. Nå er det ESAs medlemsland, inkludert Norge, som skal ta ansvar for å bygge instrumentene, romfartøyet og bakkesegmentet til LISA. Planen er at LISA skal skytes opp i midten av 2030-tallet. 

– Da vi godkjente Lisa på siste programstyremøte i ESAs vitenskapsprogram var det applaus rundt bordet. Nå var det et historisk øyeblikk da Europa skal bygge et observatorium som vil sette europeiske forskere i førersetet inne forskning på gravitasjonsbølger, sier Pål Brekke, som er fagsjef for romforskning ved Nors Romsenter og norsk delegat i programstyret til ESAs vitenskapsprogram.

De viktigste kosmiske kildene til gravitasjonsbølger inkluderer sammensmeltingen av sorte hull, kollisjonen av nøytronstjerner, supernovaeksplosjonen av massive stjerner og universets dannelse gjennom Big Bang. Alle disse hendelsene genererer enorme mengder energi i form av gravitasjonsbølger.

– Når to massive objekter, som stjerner eller sorte hull, beveger seg rundt hverandre, dras på en måte romtid, som krummer seg på grunn av tilstedeværelsen av massen. Disse variasjonene i krummingen av romtid forplanter seg utover, i respons til bevegelsen, med lysets hastighet. Slik dannes gravitasjonsbølgene, forklarer professor David Mota fra Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo i en pressemelding.

Et nytt vindu til universet

Takket være LISA vil Norge, i samarbeid med flere europeiske land og USA, kunne måle gravitasjonsbølger i millihertz-området. Dette er et område som ikke kan observeres fra bakkenivå, men hvor det antas at mange astrofysiske objekter sender ut stråling. Dette vil gi oss dyp innsikt i ulike astrofysiske og kosmologiske hendelser som finner sted gjennom universets levetid.

LISA vil bestå av tre like romfartøyer som er plassert i hjørnene av en likesidet trekant med en innbyrdes avstand på 2,5 millioner kilometer. Hvert romfartøy vil bruke svært stabile laserstråler til å måle den relative avstanden til testmassene de frakter. Når en gravitasjonsbølge passerer, vil den forårsake en tidsvarierende tøyning eller strekking av romtiden. 

Banebrytende oppdagelser i vente

LISAs utforskning av gravitasjonsbølger i millihertz-området lover å avdekke helt uberørt territorium, og uventede oppdagelser kan dukke opp.

– LISA vil kunne teste Einsteins generelle relativitetsteori under nye og ekstreme forhold. Dette kan lede til oppdagelsen av ny fysikk utover Einsteins teori, sier Mota.

 Ved å ekstrapolere fra gravitasjonsbølgehendelser utenfor vår egen galakse, vil forskere avdekke et mylder av binære sorte hull, som gir informasjon om deres masser, rotasjoner og baner.

– Denne informasjonen vil hjelpe forskere til å forstå hvordan disse sorte hullene dannes, vokser og utvikler seg i universet, fortsetter Mota. 

LISA vil kunne detektere en bakgrunn av gravitasjonsbølger som ble skapt i det tidlige universet.

– Denne bakgrunnen vil gi informasjon om forholdene rett etter Big Bang, konkluderer han.

I tillegg til disse hovedmålene for vitenskapen, vil forskere dra nytte av prosjektet for å studere en rekke andre astrofysiske fenomener, som dannelsen av galakser, stjernenes evolusjon og mørk materie.

Slik skal Norge bidra

LISA vil gi utfordringer når det gjelder behandling og tolkning av forskjellige overlappende gravitasjonsbølgesignaler. Signalene krever isolering av individuelle datastrømmer, avanserte dataanalysestrategier og robuste databehandlingsressurser. Et norsk konsortium, ledet av Germano Nardini, førsteamanuensis ved Universitetet i Stavanger i samarbeid med forskere ved Universitetet i Oslo, Universitetet i Bergen, Universitetet i Stavanger og NTNU, skal utnytte Norges fornybare energiinfrastruktur og omfattende vitenskapelige og teknologiske ekspertise for å overvinne disse utfordringene.

– Konsortiet vil utvikle komponenter i dataanalyseprosessen, tolke vitenskapelige funn og stille et klyngeanlegg til rådighet, som tilbyr 50 millioner CPU-timer per år for å støtte LISAs bakke-segment, sier Nardini.

Forskere ved Institutt for teoretisk astrofysikk er involvert i LISAs vitenskapelige arbeidsgruppe.

– Vi vil bidra ved å lage teoretiske og numeriske forutsigelser til gravitasjonsbølgeformen for flere modeller av tyngdekraft og mørk materie. Disse forutsigelsene vil bli implementert i gravitasjonsbølge-maler som LISA vil bruke til å analysere dataene, forteller Mota.

Kontraktsavtaler og konstruksjon starter umiddelbart. Oppskytning er planlagt i 2035 med en Ariane 6-rakett og LISA vil nå Lagrange-punktet L5 i 2036 hvor den vil samle data i minst fire år. 

– Norsk romindustri har levert viktige komponenter til de fleste av ESAs tidligere vitenskapelige satellitter. Vårt medlemskap i ESA gir norske aktører mulighet til å konkurrere om å bidra til satellitter og romsonder. Vi forventer at norsk industri vil vinner store kontrakter for å bygge komponenter til Lisa og bidra til at prosjektet blir vellykket, sier Brekke.

En vesentlig del av de norske bidraget til den vitenskapelige delen av LISA støttes av Norsk Romsenter med finansiering gjennom ESAs Prodex program.