Satellitter skal måle universets skjulte kræfter

Nu begynder jagten på tyngdebølger for alvor. Europa og USA sam­arbejder om et ambitiøst projekt, der skal gøre det muligt at finde tyngdebølger overalt fra de fjerneste egne af universet til dobbeltstjerner i vores egen Mælkevej. Projektet hedder LISA (Laser Interferometer Space Antenna) og omfatter opsendelsen af en prøvesatellit i 2011 og tre større satellitter nogle år efter.

Hele ideen bag LISA kan føres tilbage til Einsteins relativitetsteori. Heraf følger nemlig, at et legeme, der accelererer, vil udsende tyngdebølger. Princippet er det samme som i en radiosender. Når vi ­bringer elektroner til at svinge i en ­antenne ved at tale ind i en mikrofon, udsendes der radiobølger, som er svingende elektriske og magnetiske felter.

Firedimensional rumtid kan sammenlignes med gummihinde

Der er dog en helt fundamental forskel mellem radiobølger og tyngdebølger. Radiobølger er svingninger i rummet, mens tyngdebølger udbreder sig ved at sætte selve rummet i svingninger. I relativitetsteorien taler vi om en firedimensional rumtid, der på mange måder kan sammenlignes med en gummihinde.

Anbringer vi en masse på hinden, vil vi få en fordybning, der afhænger af massens størrelse. Hvis massen nu sættes i svingninger, vil svingningen forplante sig til gummihinden i form af en bølge – svarende til at selve rumtiden deformeres.

En sådan tyngdebølge kan jo ikke undgå at påvirke alt på sin vej, for når selve rummet deformeres, ændres også afstande mellem legemer en smule. “En smule” skal forstås helt bogstaveligt, for de beregnede ændringer er så små, at de næsten er på grænsen af det målbare.

Satellitter gynger på rumtiden

Nu har den europæiske rumfartsstyrelse ESA sammen med NASA taget udfor­dringen op. Man vil forsøge at opfange tyngdebølgerne ved at måle, hvordan de kan ændre afstanden mellem tre satel­litter, der flyver i en meget præcis for­mation. Hvis en tyngdebølge passerer gennem Solsystemet, vil de tre satellitter så at sige gynge på rumtiden som propper på en sø. Et avanceret lasersystem skal måle, hvorledes de indbyrdes afstande mellem satellitterne ændrer sig.

Selv om princippet er enkelt, er der tale om en formidabel teknisk udfordring.­ Derfor går man frem med små skridt.

Det første tages af ESA med opsendelsen af LISA Pathfinder, som er planlagt til at ske dette forår. LISA Pathfinder er en test­satellit, der har til opgave at afprøve den nødvendige måleteknik uden selv at måle tyngdebølger.

Mikroraketter styrer satellitten præcist

Pathfinder er en 420 kg tung satellit, som i sit indre rummer to små terninger af platin og guld, der har en sidelængde på 46 mm og sidder i hvert sit vakuumkammer. Desuden er Pathfinder udstyret med et sæt mikroraketter, der nærmest virker ved at udslynge små dråber væske. Raketterne er uhyre svage, men kan til gengæld styre satellittens position med en nanometers præcision.

Ideen i forsøget er at skabe en såkaldt “drag free” satellit, altså en satellit, der bevæger sig under indflydelse af tyngdekraften og intet andet. Normalt påvirkes en satellit af bl.a. solvinden, sollysets strålingstryk og variationer i Solens magnet­felt. Oftest vil man ignorere disse små påvirkninger, men de er store nok til at sløre virkningen af en tyngdebølge.

Det, man nu gør, er hele tiden at holde de to små terninger præcis i midten af vakuumkammeret. De er skærmet fra alle påvirkninger udefra og følger derfor en bane, som alene er bestemt af tyngdekraften. Den mindste afvigelse i terningernes position får mikroraketterne til at tænde og flytte satellitten, indtil terningerne igen er på plads i centrum. Ved til stadighed at justere satellitten for påvirkninger udefra får man herved selve satellitten til at følge en bane, der kun er bestemt af tyngdekraften.

Klik i boksen til højre og se en animation af den planlagte LISA-mission