LISA-mission edeltäjä kohtaa Einsteinin asettamat haasteet

Virallisesti LISA-lennon edeltäjälento on nimetty teknologiakehitysmissioksi, mutta sen suunnittelijoilla on edessään kova haaste.

Kehittäessään vuonna 1915 julkaisemaan yleistä suhteellisuusteoriaa, Albert Einsteinia mietitytti, miten kappale liikkuisi avaruudessa mikäli se olisi täysin vapaa kaikista ulkoisista vaikutuksista.

Vastauksena tähän fyysikot päättelivät, että suoraviivaisesti kulkemisen sijaan kappale noudattaisi geodeesiksi kutsuttua reittiä, joka kaareutuisi hieman samaan tapaan kuin maapallon isoympyröitä seuraavat lentokonereitit perinteisillä tasokartoilla esitettyinä.

Myöhemmin eräässä ajatuskokeessaan Einstein kuvitteli tapaa, joka paljastaisi avaruusajan kaareutumisen. Kaksi vapaassa pudotusliikkeessä olevaa kappaletta vaihtaisi valon fotoneita keskenään.

Mikäli koe voitaisiin suorittaa varpeeksi suuressa mittakaavassa - käytännössä miljoonien kilometrien kokoisena - pienikin poikkeavuus kaarevuudessa vaikuttaisi mitattavalla tavolla valon taajuuteen.

Tämä olisi tapa havaita Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian erityisen dramaattinen ennustus: 'gravitaatioaaltoina' tunnetut aika-avaruuden aaltomaiset muutokset, joita synnyttävät eksoottiset tähtitieteelliset kohteet, kuten törmäävät mustat aukot sekä hyvin kompaktit kaksoistähtijärjestelmät.

Vuoden 2013 puolivälissä, vain kaksi vuotta ennen yleisen suhteellisuusteorian satavuotispäivää, LISA-lennon edeltäjä suorittaa ensimmäisen osan ajatuskokeesta käytännössä, tosin vain yhden avaruusaluksen mittakaavassa. Päämääränä on yksinkertaisesti testata huomattavasti aiempaa paremmalla tarkkuudella Einsteinin ajatuskokeen oletuksia: liikkuvatko vapaat kappaleet todellakin avaruuden läpi geodeeseja myöten?

Tekninen vaikeus liittyy helpolta kuulostavan kokeen vaatimukseen siitä, että kaikki ulkoiset voimat täytyy pitää vapaana oleviin kappaleisiin minimissään. Tällaisia häiriöitä aiheuttavat avaruusaluksen rakenteen massan aiheuttama gravitaatio, auringonvalon hienoinen 'säteilypaineen' työntövoima sekä avaruusaluksen järjestelmistä tuleva pieni värinä sekä magneettiset vuorovaikutukset.

Sisäistä muodostelmalentoa

LISA-lennon edeltäjä minimoi ulkopuolisten häiriöiden vaikutusta 1,5 miljoonan kilometrin etäisyydellä Maasta olevan sijoituspaikkansa avulla Lagrangen ykköspisteen lähettyvillä.

Muiden listattujen häiriövoimien poistamiseen ei ole yksinkertaista tapaa - ainoastaan perusteellinen ja tarkka valmistustekniikka auttaa. Mission täytyy olla tarkimmin koskaan hallittu avaruusalus - tai itse asiassa avaruusalusten sarja.

LISA-lennon edeltäjää voidaan käytännössä pitää muodostelmalentomissiona, koska sen sisällä lentää kaksi hyvin pientä avaruusalusta. Kaksi 4,6 senttimetrin kokoista 'koemassaa' kelluu vapaasti kammioissaan, jotka sijaitsevat 35 senttimetrin päässä toisistaan pääaluksen sydämessä. Niiden keskinäisiä sijainteja seurataan laserjärjestelmällä, joka toimii atomitason tarkkuudella.

"Pyrimme säilyttämään testimassojen geodeesisen liikkeen niin aitona kuin mahdollista", selittää LISA-lennon edeltäjän hyötykuormainsinööri Bengt Johlander.

"Massat ovat vapaita liikkumaan - ja mikäli koejärjestelyt on tehty oikealla tavalla, niiden tulisi liikkua yhtäläisesti - niitä ympäröivää avaruusalusta ohjataan testimassojen liikkeen avulla seuraamaan samaan suuntaan. On mahdotonta poistaa häiriöitä kokonaan, mutta meillä on niille täsmälliset raja-arvot, joiden sisällä pystymme pysymään."

Tienavaus LISA-missiolle

Lennon tarkoituksena on vähemmän geodeesisen liikkeen luominen itsensä vuoksi kuin testata käytännössä teknologioita ja tekniikoita, joilla pystytään toteuttamaan vieläkin kunnianhimoisempi missio: LISA-missio, joka on suunniteltu toteutettavaksi myöhemmin tällä vuosikymmenellä.

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) on paljon täydellisempi toteutus Einsteinin ajatuskokeelle. Kyseessä on ESAn ja Nasan yhteinen missio, jolla etsitään gravitaatioaaltoja Einsteinin hahmottelemalla tavalla.

LISAn kolme erillistä avaruusalusta lentävät viiden miljoonan kilometrin etäisyydellä toisistaan, mutta ne pysyvät lasersäteiden 'yhdistäminä' ja havaitsevat pienimmätkin muutokset keskinäisissä sijainneissaan.

Käyttämällä samaa periaatetta toisistaan kaukana sijaitsevien heijastavien pintojen mittaamisesta laserilla, myös maanpinnalle on rakennettu useita gravitaatioaaltoja etsiviä observatorioita. Tähän mennessä gravitaatioaaltoja ei ole kuitenkaan vielä löydetty.

Maanpinnalla seismiset häiriöt haittaavat mittauksia sekuntien ja sitä pidempien ajanjaksojen skaaloissa ja tämä rajoittaa niiden toiminnan korkeataajuuksisten gravitaatioaaltojen etsintään. Sellaisia synnyttävät pienet tähtitieteelliset kohteet, kuten neutronitähdet ja pienet mustat aukot.

Kaukana avaruudessa avautuu uusi ikkuna matalataajuuksiseen gravitaatioaaltospektriin, jota LISA havainnoi. Siihen kuuluvat maailmankaikkeuden voimakkaimmat tapahtumat: supermassiivisten mustien aukkojen törmäykset ja yhteenliittymät.

"LISA-lennon edeltäjä on kooltaan aivan liian pieni voidakseen havaita gravitaatioaaltoja itsessään, mutta se tulee todistamaan kärkiteknologian toteutettavuuden, jota LISAn toteuttaminen vaatii", lisää Johlander. "Tosin käytännössä LISAn suorituskyvyn on oltava vielä edeltäjäänsä tiukempi onnistuakseen."

Koeluontoisuutensa vuoksi LISA-lennon edeltäjä nimettiin alkujaan SMART-2-nimellä (Small Mission for Advanced Research in Technology-2). SMART-1 oli alus, joka oli ESAn vuonna 2003 laukaistu ionimoottoreita käyttänyt pieni kuuluotain. Parhaillaan kehitellään huimaavan suurta määrää uusia teknologioita, joiden hallintaa mission toteutus vaatii.