Satelliitti mittaa salattuja voimia

Gravitaatio- eli painovoima-aaltojen olemassaolo aiotaan nyt todistaa. Euroopan ja Yhdysvaltojen avaruusjärjestöjen yhteistyönä on syntynyt kunnianhimoinen hanke, jonka tavoitteena on löytää painovoima-aaltoja kaikkial­ta aina maailmankaikkeuden kaukaisimmista kolkista Linnunradan galaksin kaksoistähtiin. LISA eli Laser Interferometer Space Antenna -hankkeeseen kuuluu koesatelliitilla tehtävä testaus 2010–2011 ja kolmen satelliitin laukaisu muutamia vuosia myöhemmin.

LISAn kehitystyö pohjautuu Einsteinin suhteellisuusteoriaan. Sen mukaan kiihtyvässä liikkeessä olevat kappaleet lähettävät painovoima-aaltoja. Periaate on sama kuin radiolähettimessä. Kun elektronit saadaan värähtelemään antennissa puhumalla mikrofoniin, syntyy radioaaltoja, jotka ovat värähteleviä sähköisiä ja magneettisia kenttiä.

Radio- ja painovoima-aaltojen välillä on kuitenkin selkeä ero. Radioaallot ovat värähtelyjä avaruudessa, kun taas painovoima-aallot saavat levitessään itse avaruuden värähtelemään.

Neliulotteista aika-avaruutta verrataan kumikalvoon

Suhteellisuusteoriassa puhutaan neliulotteisesta aika-avaruudesta, jota voidaan verrata kumikalvoon. Jos kalvon päälle asetetaan massaa, siihen syntyy syvennys, jonka koko riippuu massan määrästä. Kun massa pannaan värähtelemään, värähtelyt siirtyvät rengasmaisesti kumikalvoon niin kuin laineet etenevät järven pinnalla, jos järveen heitetään kivi. Samaan tapaan aika-avaruus vääristyy painovoima-aaltojen vaikutuksesta.

Satelliitit keinuvat avaruudessa

Painovoima-aalto vaikuttaa kaikkeen sen tielle osuvaan, sillä kun avaruus vääristyy, myös siinä olevien kappaleiden välimatkat muuttuvat hieman. Muutokset ovat tosin niin pieniä, että ne pystytään hädin tuskin mittaamaan.

Euroopan avaruusjärjestö Esa ja Yhdysvaltojen avaruushallinto Nasa ovat nyt tarttuneet haasteeseen. LISA-hankkeessa yritetään havaita painovoima-aallot mittaamalla, miten ne muuttavat kolmen täsmällisessä muodostelmassa lentävän satelliitin keskinäisiä etäisyyksiä. Jos painovoima-aalto kulkee Aurinko­kunnan läpi, satelliitit alkavat keinua aika-avaruudessa kuin ongenkohot järven laineilla. Laserjärjestelmä mittaa satelliittien etäisyyksien vaihteluja.

Vaikka periaate vaikuttaa yksinkertaiselta, mittaaminen on teknisesti erittäin haastavaa. Siksi asiassa edetään pienin askelin. Ensimmäisen askeleen ottaa Esa laukaisemalla avaruuteen LISA Pathfinderin tämän vuoden keväällä.

Se on koesatelliitti, joka testaa mittaustekniikkaa mittaamatta kuitenkaan itse painovoima-aaltoja. Testauksen on määrä alkaa vuoden loppupuolella.

Mikroraketit säätävät satelliitin asentoa

Pathfinder painaa 420 kiloa. Sen sisällä omissa tyhjiökammioissaan on kaksi platina-kultakuutiota, joiden sivujen pituus on 46 millimetriä. Lisäksi varusteisiin kuuluu sarja mikroraketteja, jotka säätävät jatkuvasti satelliitin asentoa nanometrin tarkkuudella.

Testin päämäärä on luoda niin sanottu ”drag free” -satelliitti eli satelliitti, jonka liikkeisiin ei vaikuta muu kuin painovoima. Normaalisti siihen vaikuttavat myös aurinkotuuli, auringonvalon säteilypaine ja Auringon magneettikentän muutokset. Nämä tekijät jätetään usein huomiotta, vaikka ne riittävät vaimentamaan painovoima-aallon vaikutuksen.

Testauksessa kulta-platinakuutiot pidetään koko ajan aivan tyhjiökammion keskellä. Ne on suojattu ulkoisilta vaikutuksilta, ja siksi ne seuraavat rataa, jonka määrittää vain painovoima. Pieninkin poikkeama kuutioiden asennossa saa mikroraketit syttymään ja siirtämään satelliittia, kunnes kuutiot ovat taas paikoillaan. Kun satelliittia säädetään näin,­ se saadaan etenemään radalla, johon vaikuttaa vain painovoima.

Kun napsautat oikealla olevaa boksia, näet animaation suunnitellusta LISA-hankkeesta