Gjør Einsteins drøm til virkelighet

Da Albert Einstein holdt på med å utvikle den generelle relativitetsteorien i 1915, undret han seg over hvordan et objekt som var helt fritt for ytre påvirkning ville bevege seg gjennom rommet.

Han kom frem til at et slikt objekt ville bevege seg i en bue og ikke i en rett linje, på grunn av den underliggende strukturen i rom og tid.

Senere, i et av sine berømte tankeeksperimenter, så Einstein for seg at man skulle kunne se denne krummingen av romtiden ved å utveksle fotoner av lys mellom to partikler som beveget seg i et perfekt fritt fall.

Gravitasjonsbølger

Kunne eksperimentet gjøres i stor nok skala, over millioner av kilometer, ville variasjonen i krumming av rom og tid ha en målbar effekt på lysets bølgelengde.

Et slikt eksperiment ville også detektere en av de mest dramatiske følgene av Einsteins generelle relativitetsteori, nemlig bølger i romtiden.

Disse kalles for gravitasjonsbølger og oppstår rundt eksotiske astronomiske objekter som svarte hull og kompakte dobbeltstjerner.

Tre romsonder i en

LISA Pathfinder er egentlig tre romsonder i en, to små som flyr i formasjon inne i et tredje romfartøy.

To 4,6 centimeter store kuber, de såkalte testmassene, vil flyte fritt inne i hvert sitt kammer, 35 centimenter fra hverandre i hjertet av romsonden.

De to kubenes relative posisjon i forhold til hverandre vil bli målt av en laser som er nøyaktig ned til atomstørrelser.

Stramt budsjett av påvirkninger

"Vi ønsker å holde bevegelsen til testmassene så ren som mulig", sier Bengt Johlander, hovedingeniør for LISA Pathfinders nyttelast.

Testmassene får flyte fritt. Er eksperimentet riktig vil de bevege seg sammen og det ytre romfartøyet følger etter.

"Det er umulig å unngå alle ytre påvirkninger, men vi har et stramt budsjett med påvirkninger som vi skal holde oss innenfor", sier Johlander.

Stifinneren i rommet

I 2013, nær 100 år etter at den generelle relativitetsteorien ble født, skal ESA og NASAs romsonde LISA Pathfinder gjøre Einsteins tankeeksperiment om de merkelige gravitasjonsbølgene til virkelighet.

Romsonden har som hovedoppgave å teste, med ekstrem nøyaktighet, en av de grunnleggende antakelsene i Einsteins tankeeksperiment, nemlig om objekter i helt fritt fall faktisk følger krummingen i rom og tid.

På overflaten virker dette kanskje som et enkelt eksperiment. Men utfordringen med å minimalisere alle ytre krefter som kan påvirke det frie fallet er enorm.

Ekstrem ingeniørkunst

Listen over forstyrrelser som må unngås er lang. Det omfatter den ørlille men likevel merkbare skyvekraften fra sollyset, kalt solstrålingstrykk, samt romsondens egen tyngdekraft, dens vibrasjoner og magnetiske stråling.

LISA Pathfinder skal oppnå det perfekte frie fall på flere måter.

Det første er å fly 1,5 millioner kilometer borte fra hjemplaneten sin, i bane rundt LaGrange-punkt 1 (L1). Der er gravitasjonskreftene mellom sola, jorda og månen i likevekt.

Men det finnes ingen enkel måte å unngå de andre påvirkningene på listen. Til det trengs ekstrem ingeniørkunst.

Påvirkes ikke av temperatur

Romsonden har så få bevegelige deler og en så symmetrisk fordeling av masse som mulig. For å unngå utvidelse og krymping på grunn av store temperaturforskjeller, er romsonden utstyrt med flere lag isolasjon.

Platen som den optiske måleenheten sitter på er laget av et keramisk materiale, Zerodur, som omtrent ikke påvirkes av temperatur i det hele tatt.

På samme måte som en ny bil kan et nytt romfartøy gi fra seg gass over tid. På grunn av dette blir testmassene holdt i total vakuum ved hjelp av pumper.

Mindre enn et atom

For å kunne overleve de 50 G som oppskytingen vil gi, og unngå skraper og skader, sitter de to testmassene inne i hvert sitt åttekantete skall.

Både skallene og testmassene må være nøyaktig store, helt ned til mikrometeren. Det er mindre enn mange typer bakterier.

Avstanden mellom de to testmassene måles ved hjelp av et laserinterferometer. Det kan måle forskjeller i avstand helt ned til picometer-nivå. Det er mindre enn bredden på ett atom.

Magnetisk ren

For å motvirke den ørlille men merkbare skyvekraften fra sollyset, er LISA Pathfinder utstyrt med de mest presist kontrollerte motorer som noensinne er bygget for rommet.

Hver ionmotor gir en helt jevn skyvekraft på bare noen få mikronewtons. Det tilsvarer samme mengde kraft som når ett eneste hårstrå faller i gulvet.

I tillegg er LISA Pathfinder også magnetisk helt ren. For å klare alt dette har romsonden vært gjennom en lang rekke strenge tester.

Baner vei for LISA

LISA Pathfinder skal ikke bare teste ut Einsteins tankeeksperiment, men også teknologi og teknikker for en enda mer ambisiøs romsonde, nemlig LISA.

LISA, eller Laser Interferometer Space Antenna, skal skytes opp senere dette årtiet. LISA er et samarbeid mellom ESA og NASA og skal utføre Einsteins tankeeksperiment i mye høyere grad.

LISAs tre romsonder skal fly fem millioner kilometer fra hverandre i rommet. Laserstråler vil oppdage enhver endring i posisjonene.

Det finnes flere observatorier for tyngdekraftsbølger på bakken, men seismisk støy fra jorda forstyrrer de ultrafølsomme sensorene. Det gjør at bakkeobservatoriene bare kan oppdage høyfrekvente tyngdekraftsbølger fra mindre astronomiske objekter som nøytronstjerner og små svarte hull.

Det ytre rom åpner et vindu til lavfrekvente tyngdekraftsbølger. Det er dette som LISA skal måle, inkludert noen av de aller kraftigste hendelsene i universet, som kollisjon og sammensmelting av supermassive svarte hull.

Den ultimate prøven

LISA Pathfinder er for liten til selv å kunne oppdage gravitasjonsbølger. Romsonden skal først og fremst demonstrere effektiviteten til den innovative teknologien som skal brukes i LISA.

Mengden ny teknologi som romsonden skal teste ut er enorm.

Men den ultimate prøven på om stifinneren klarer å gjøre Einsteins drøm om det perfekte frie fall til virkelighet får vi ikke før LISA Pathfinder er på plass ved L1 langt ute i rommet.