I dag, ESA har bjudit in europeiska forskare att föreslå koncept för det tredje stora uppdraget i sitt vetenskapsprogram, för att studera gravitationens universum.

Ett rymdburet observatorium av gravitationsvågor – krusningar i rymdtidens struktur skapade av accelererande massiva objekt – identifierades 2013 som målet för det tredje stora uppdraget (L3) i ESA:s Cosmic Vision-plan.

Ett rådgivande team för gravitationsobservatoriet utsågs 2014, sammansatt av oberoende experter. Teamet avslutade sin slutrapport tidigare i år, vidare rekommendera ESA att fortsätta uppdraget efter att ha verifierat genomförbarheten av en multisatellitdesign med fritt fallande testmassor kopplade över miljontals kilometer med lasrar.

Nu, efter den första upptäckten av de svårfångade vågorna med markbaserade experiment och det framgångsrika utförandet av ESA:s LISA Pathfinder-uppdrag, som visade några av de nyckelteknologier som behövs för att upptäcka gravitationsvågor från rymden, byrån bjuder in forskarvärlden att lägga fram förslag för det första rymduppdraget för att observera gravitationsvågor.

"Gravitationsvågor lovar att öppna ett nytt fönster för astronomi, avslöjar kraftfulla fenomen över universum som inte är tillgängliga via observationer av kosmiskt ljus, säger Alvaro Giménez, ESA:s vetenskapschef.

Förutspådd för ett sekel sedan av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, gravitationella vågor förblev svårfångade till den första direktupptäckten av det markbaserade Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory och Virgo-samarbeten, gjordes i september 2015 och tillkännagavs tidigare i år.

Signalen härrör från koalescensen mellan två svarta hål, var och en med cirka 30 gånger solens massa och cirka 1,3 miljarder ljusår bort. En andra upptäckt gjordes i december 2015 och tillkännagavs i juni, och avslöjade gravitationella vågor från en annan sammansmältning av svart hål, den här gången med mindre objekt med massor runt 7 och 14 solmassor.

Under tiden, LISA Pathfinder-uppdraget lanserades i december 2015 och startade sin vetenskapliga verksamhet i mars i år, testa några av de nyckelteknologier som kan användas för att bygga ett rymdobservatorium av gravitationsvågor.

Data som samlats in under de första två månaderna visade att det verkligen är möjligt att eliminera externa störningar på testmassor placerade i fritt fall med den precisionsnivå som krävs för att mäta passerande gravitationsvågor som stör deras rörelse.

Medan markbaserade detektorer är känsliga för gravitationsvågor med frekvenser på runt 100 Hz – eller hundra svängningscykler per sekund – kommer ett observatorium i rymden att kunna detektera lågfrekventa vågor, från 1 Hz ner till 0,1 mHz. Gravitationsvågor med olika frekvenser bär information om olika händelser i kosmos, ungefär som astronomiska observationer i synligt ljus är känsliga för stjärnor i huvudstadierna av deras liv medan röntgenobservationer kan avslöja de tidiga faserna av stjärnlivet eller resterna av deras bortgång.

Särskilt, lågfrekventa gravitationsvågor är kopplade till ännu mer exotiska kosmiska objekt än deras motsvarigheter med högre frekvens:supermassiva svarta hål, med massor av miljoner till miljarder gånger solens, som sitter i centrum av massiva galaxer. Vågorna frigörs när två sådana svarta hål smälter samman under en sammanslagning av galaxer, eller när ett mindre kompakt föremål, som en neutronstjärna eller ett svart hål med stjärnmassa, spiraler mot ett supermassivt svart hål.

Att observera svängningarna i rymdtidens struktur som produceras av dessa kraftfulla händelser kommer att ge en möjlighet att studera hur galaxer har bildats och utvecklats under universums livstid, och att testa Einsteins allmänna relativitetsteori i dess starka regim.

Koncept för ESA:s L3-uppdrag kommer att behöva ta itu med utforskningen av universum med lågfrekventa gravitationsvågor, som ett komplement till de observationer som gjorts på marken för att till fullo utnyttja det nya gravitationsastronomifältet. Det planerade lanseringsdatumet för uppdraget är 2034.

Lärdomar från LISA Pathfinder kommer att vara avgörande för att utveckla detta uppdrag, men mycket ny teknik kommer också att behövas för att utvidga singelsatellitdesignen till flera satelliter. Till exempel, lasrar mycket kraftfullare än de som används på LISA Pathfinder, såväl som mycket stabila teleskop, kommer att vara nödvändigt för att länka samman de fritt fallande massorna över miljontals kilometer.

Stora uppdrag i ESA:s vetenskapsprogram är ESA-ledda, men också möjliggöra internationellt samarbete. Det första stora uppdraget är Juice, JUpiter ICy moons Explorer, planerad att lanseras 2022, och den andra är Athena, det avancerade teleskopet för högenergiastrofysik, ett röntgenobservatorium för att undersöka det varma och energiska universum, med ett planerat lanseringsdatum 2028.

Avsiktsförklaringar för ESA:s nya rymdobservatorium för gravitationsvågor ska lämnas in senast den 15 november, och deadline för det fullständiga förslaget är 16 januari 2017. Urvalet beräknas ske under första halvåret 2017, med en preliminär intern studiefas planerad till senare under året.