LISA Pathfinder, ett uppdrag som leds av ESA (Europeiska rymdorganisationen) med bidrag från NASA, har framgångsrikt demonstrerat kritisk teknik som behövs för att bygga ett rymdbaserat observatorium för att upptäcka krusningar i rymdtiden, kallade gravitationsvågor. Nu hoppas ett team av NASA-forskare kunna dra fördel av rymdfarkostens rekordstora känslighet för att kartlägga fördelningen av små dammpartiklar som fälls av asteroider och kometer långt från jorden.

De flesta av dessa partiklar har massor mätt i mikrogram, liknar ett litet sandkorn. Men med hastigheter över 22, 000 mph (36, 000 km/h), även mikrometeoroider slår hårt. De nya mätningarna kan hjälpa till att förfina dammmodeller som används av forskare i en mängd olika studier, från att förstå fysiken kring planetbildning till att uppskatta risker för påverkan för nuvarande och framtida rymdfarkoster.

"Vi har visat att vi har en ny teknik och att den fungerar, sa Ira Thorpe, som leder teamet vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Nästa steg är att noggrant tillämpa denna teknik på hela vår datauppsättning och tolka resultaten."

Uppdragets primära mål var att testa hur väl rymdfarkosten kunde flyga i formation med ett identiskt par 1,8-tums (46 millimeter) guld-platinakuber flytande inuti den. Kuberna är testmassor avsedda att vara i fritt fall och endast reagera på gravitationen.

Rymdfarkosten fungerar som en sköld för att skydda testmassorna från yttre krafter. När LISA Pathfinder reagerar på tryck från solljus och mikroskopiska dammstötar, rymdfarkosten kompenserar automatiskt genom att avfyra små skurar från sina mikronewton-propeller för att förhindra att testmassorna störs.

Forskare kallar detta dragfri flygning. Under de två första månaderna av verksamheten i början av 2016, LISA Pathfinder demonstrerade processen med en precision som är cirka fem gånger bättre än dess uppdragskrav, vilket gör det till det känsligaste instrumentet för att mäta acceleration hittills. Den har nu nått den känslighetsnivå som behövs för att bygga ett komplett gravitationsvågobservatorium för flera rymdfarkoster.

"Varje gång mikroskopiskt damm träffar LISA Pathfinder, dess thrusters nollställer den lilla mängd momentum som överförs till rymdfarkosten, ", sa Goddards medutredare Diego Janches. "Vi kan vända på det och använda thrusteravfyrningarna för att lära oss mer om de partiklar som påverkar partiklarna. Ett lags brus blir ett annat lags data."

Mycket av det vi vet om interplanetärt damm är begränsat till jordens grannskap, till stor del tack vare NASA:s Long Duration Exposure Facility (LDEF). Uppskjuten i jordens omloppsbana av rymdfärjan Challenger i april 1984 och hämtad av rymdfärjan Columbia i januari 1990, LDEF var värd för dussintals experiment, varav många var designade för att bättre förstå meteoroid- och orbitalskräpmiljön.

De olika kompositionerna, banor och historia av olika asteroider och kometer producerar naturligt damm med en mängd olika massor och hastigheter. Forskare misstänker att de minsta och långsammaste partiklarna förstärks i jordens grannskap, så LDEF-resultaten är inte representativa för det bredare solsystemet.

"Små, långsamma partiklar nära en planet är mest mottagliga för planetens gravitationskraft, som vi kallar gravitationsfokusering, ", sa Janches. Detta betyder att mikrometeoroidflödet nära jorden borde vara mycket högre än vad LISA Pathfinder upplevde, ligger cirka 930, 000 miles (1,5 miljoner kilometer) närmare solen.

För att hitta effekterna, Tyson Littenberg vid NASA:s Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, anpassade en algoritm som han ursprungligen utvecklade för att söka efter gravitationsvågor i data från markbaserade detektorer från Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), ligger i Livingston, Louisiana, och Hanford, Washington. Faktiskt, det var en av många algoritmer som spelade en roll i upptäckten av gravitationsvågor av LIGO, tillkännagavs i februari 2016.

"Sättet det fungerar är att vi kommer med en gissning om hur signalen kan se ut, studera sedan hur LIGO eller LISA Pathfinder skulle reagera om denna gissning var sann, " förklarade Littenberg. "För LIGO, vi gissar om vågformen, gravitationsvågens toppar och dalar. För LISA Pathfinder, vi gissar på en effekt."

För att kartlägga sannolikheten för troliga källor, teamet genererar miljontals olika scenarier som beskriver vad källan kan vara och jämför dem med vad rymdfarkosten faktiskt upptäcker.

Som svar på en påverkan, LISA Pathfinder avfyrar sina thrusters för att motverka både minut "push" från anslaget och varje förändring i rymdfarkostens snurr. Tillsammans, dessa kvantiteter gör det möjligt för forskarna att bestämma nedslagets plats på rymdfarkosten och rekonstruera mikrometeoroidens ursprungliga bana. Detta kan göra det möjligt för teamet att identifiera enskilda skräpströmmar och kanske relatera dem till kända asteroider och kometer.

"Det här är ett väldigt trevligt samarbete, sa Paul McNamara, LISA Pathfinder-projektets forskare vid ESA:s direktorat för vetenskap i Noordwijk, Nederländerna. "Detta är data vi använder för att göra våra vetenskapliga mätningar, och som en utlöpare av det, Ira och hans team kan berätta för oss om mikropartiklar som träffar rymdfarkosten."

Dess avlägsna läge, känslighet för partiklar med låg massa, och förmågan att mäta storleken och riktningen på partiklar som påverkar partiklarna gör LISA Pathfinder till ett unikt instrument för att studera populationen av mikrometeoroider i det inre solsystemet. Men det är bara början.

"Detta är ett bevis på konceptet, men vi hoppas kunna upprepa denna teknik med ett fullständigt gravitationsvågsobservatorium som ESA och NASA för närvarande studerar för framtiden, ", sa Thorpe. "Med flera rymdfarkoster i olika banor och en mycket längre observationstid, kvaliteten på uppgifterna borde verkligen förbättras."

LISA Pathfinder hanteras av ESA och inkluderar bidrag från NASA Goddard och NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. Uppdraget som sjösattes den 3 december, 2015, och började kretsa runt en punkt som kallas Jord-sol L1, ungefär 930, 000 miles (1,5 miljoner km) från jorden i solens riktning, i slutet av januari 2016.

LISA står för Laser Interferometer Space Antenna, ett rymdbaserat gravitationsvågobservatoriumkoncept som har studerats i detalj av både NASA och ESA. Det är ett koncept som undersöks för det tredje stora uppdraget i ESA:s Cosmic Vision Plan, som strävar efter att lansera ett gravitationsvågsobservatorium 2034.