De Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is de eerste ruimtedetector die zwaartekrachtsgolven meet. Vanuit de ruimte detecteert LISA langere golven dan gronddetectoren, waarmee ze een nieuw venster opent op allerlei exotische verschijnselen. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA heeft LISA op 25 januari officieel aangenomen als een van haar “large class” missies. De lancering staat gepland rond 2035. Nederland speelt een grote rol in de ontwikkeling van de hardware en software.
LISA bestaat uit drie ruimtevaartuigen die in een baan om de zon draaien, achter de aarde aan. Ze detecteren zwaartekrachtsgolven vanuit verschillende bronnen in het heelal door continu hun onderlinge afstanden te meten met laserstralen. Dat zijn rimpelingen in de structuur van de ruimte, gecreëerd door exotische kosmische gebeurtenissen – zoals botsende zwarte gaten of de oerknal – vergelijkbaar met een olietanker die golven in de oceaan creëert. Als allereerste ruimtedetector voor zwaartekrachtsgolven wordt LISA ESA’s derde L-klasse missie, wat Europa de wereldleider op dit gebied maakt.
LISA strekt haar armen met 2,5 miljoen kilometer veel verder uit dan gronddetectoren ooit zullen doen. Daarmee is ze ontvankelijk voor langere golflengtes vanaf grotere ruimteobjecten. Het stelt LISA in staat om voor het eerst te “luisteren” naar bijvoorbeeld de oerknal of baby-zwarte gaten uit het vroege heelal. Of naar de chaotische paden die sterren bewandelen als ze worden opgeslokt in de complexe geometrie rond een superzwaar zwart gat, als een praktijkexamen van Einsteins Algemene Relativiteitstheorie.
‘Het is geweldig om te zien dat LISA is aangekomen bij deze laatste fase,’ zegt Gijs Nelemans (SRON/Radboud). ‘De eerste plannen voor zo’n compleet nieuw type ruimtemissie zijn al dertig jaar oud.’ Elena Maria Rossi (Universiteit Leiden) voegt toe: ‘We stappen een totaal nieuw wetenschapsveld binnen. Gronddetectoren laten ons al luisteren naar het dichtbije heelal. LISA geeft ons gehoor op veel lagere frequenties zodat we voor het eerst de grootste en verste gebeurtenissen in het universum kunnen horen.
Nederlandse bijdrage
Nederlandse wetenschappers zijn al lange tijd betrokken bij het LISA-project. Een Nederlands consortium van SRON, Nikhef, Radboud, Universiteit Leiden, UvA, Universiteit Utrecht, TNO, Universiteit Maastricht en RUG heeft in 2023 een NWO Roadmap-beurs ontvangen, onder leiding van SRON, om te werken aan de Nederlandse hardware-bijdrage. Ze bouwen de fotodiodes (LISA’s ‘ogen’), software, het richtmechanisme en de bijbehorende uitleeselektronica. Die zijn ontworpen op de grens van wat technologisch mogelijk is.
Het richten luistert buitengewoon nauw omdat elke laser een lens moet raken op 2,5 miljoen kilometer afstand. Licht doet daar acht seconden over. Ter vergelijking: als er een dubbeltje van de Eiffeltoren valt, moet een laser vanuit Nederland precies op die plek richten waar dat dubbeltje over acht seconden zal zijn.
De fotodiodes hebben het niet veel gemakkelijker. Zij moeten de laserstralen detecteren van oorspronkelijk 1 Watt, zoals een tafellamp, maar die na hun reis zijn afgezwakt tot 250 picoWatt, dus ruim een miljard keer zwakker.
De ontwikkeling van de software is zelfs voor een ruimtemissie complex. Het LISA-project is bij uitstek een synergie tussen engineers, wetenschappers en data scientists. De software moet onderscheid maken tussen de veelvoud aan zwaartekrachtsgolven vanuit alle mogelijke richtingen die de ruimtevaartuigen continu aan het trillen brengen op verschillende frequenties en amplitudes.
‘De Nederlandse bijdrage is een sprekend voorbeeld van samenwerking en innovatie binnen de ruimtevaartsector in Nederland’, zegt Michael Wise, directeur van SRON. ‘Niet alleen werken mensen uit meerdere disciplines samen, het is ook een grote samenwerking tussen wetenschappelijke instellingen en bedrijven. Samen verleggen we de grenzen van wat technologisch mogelijk is. Bij SRON zijn we er trots op dat we hieraan leiding mogen geven.’
Mission adoption
Binnen de levenscyclus van een ESA-missie is de Mission Adoption Review het formele einde van de onderzoeksfase, waarin de specificaties in het ontwerp van de detector worden vastgesteld en de gereedheid van de technologie wordt beoordeeld. Na LISA’s succesvolle Mission Adoption Review heeft ESA’s Science Programme Committee nu de overgang goedgekeurd van de onderzoeksfase naar de implementatiefase. Deze stap heet Mission Adoption. De implementatiefase duurt vanaf nu tot de lancering rond 2035.
Eveneens op 25 januari werd in SpaceExpo in Noordwijk de Lange Termijn Ruimtevaartagenda gepresenteerd door Maria van der Hoeven als voorzitter van de regiecommissie aan minister van Economische Zaken en Klimaat Micky Adriaansens.
The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) opens up a new part of the gravitational wave spectrum as the first space-based detector. It is now officially adopted by the European Space Agency (ESA) as one of its large class missions. Launch is scheduled for the mid-2030s. The Netherlands plays a large role in the development of hardware and software.
LISA consists of three spacecraft orbiting the Sun, trailing behind Earth. By continuously measuring their mutual distances using laser beams, they detect gravitational waves from various sources the Universe. Those are ripples in the fabric of space created by exotic cosmic events—such as colliding black holes or the Big Bang—comparable to an oil tanker creating waves in the ocean. As the first ever space-based gravitational wave detector, LISA becomes ESA’s third L-class mission, making Europe the world leader in this field.
Unlike ground-based detectors, LISA is able to stretch her arms to 2.5 million kilometers, making her susceptible to longer wavelengths from larger objects. It allows us to ‘listen’ for the first time to for example the Big Bang or baby black holes from the early Universe. Or to the chaotic orbits of stars as they are being engulfed in the complex geometry around a supermassive black hole, as a practical exam for Einstein’s general theory of relativity.
‘It is wonderful to see LISA progress to this final phase,’ says Gijs Nelemans (SRON/Radboud University). ‘The first plans for such a completely new type of mission are more than 30 years old.’ Elena Maria Rossi (Leiden University) adds: ‘We are entering an entirely new field of science. Ground-based detectors already let us listen to the nearby Universe. LISA gives us hearing at much lower frequencies so we can hear the largest and farthest events in the cosmos for the first time.’
Dutch contribution
Dutch scientists have been involved in LISA for a long time. A Dutch LISA consortium consisting of SRON, Nikhef, Radboud, Leiden University, UvA, Utrecht University, TNO, Maastricht University and RUG, has received an NWO Roadmap grant in 2023, led by SRON, to work on the Dutch hardware contribution to LISA. They are building the photodiodes (LISA’s ‘eyes’), software, pointing mechanism and corresponding readout electronics. These are all designed at the edge of what is currently possible, and beyond.
Each laser needs to be pointed at a moving lens 2.5 million kilometers away, which takes light eight seconds to reach. For comparison: if a dime falls down from the Eiffel Tower, a laser beam from The Netherlands must aim exactly at the spot where that dime will be in eight seconds.
For the photodiodes things are not much easier. They must detect the laser beams of originally 1 Watt, like a table lamp. But during their journey the beams diverge, delivering only 250 picoWatt to the photodiode—less than a billionth of the power of said lamp.
The development of the software is complex even for a space telescope. Especially in the LISA mission a synergy is required between engineers, scientists and data science professionals. The software has to distinguish between the multitude of gravitational waves from all possible directions that continuously vibrate the spacecraft at different frequencies and amplitudes.
‘The Dutch contribution is a striking example of collaboration and innovation within the space sector in The Netherlands,’ says Michael Wise, SRON director. ‘Not only do people from multiple disciplines work together, this is also a huge collaborative effort across scientific institutes and companies. Together we are pushing the boundaries of what is technologically possible. At SRON we are proud to be leading this effort.’
Mission Adoption
In an ESA mission lifetime cycle, the Mission Adoption Review is the formal end of the study phase, in which the requirements for the mission are determined and the technology readiness is reviewed. Following LISA’s successful review, ESA’s Science Programme Committee (SPC) approved the transition from the study phase to the implementation phase. This step is called ‘Mission Adoption’. The following implementation phase lasts until launch in the mid-2030s.