ESA (Europeiska rymdorganisationen) har valt Laser Interferometer Space Antenna (LISA) för sitt tredje storklassuppdrag i myndighetens Cosmic Vision vetenskapsprogram. Konstellationen med tre rymdfarkoster är designad för att studera gravitationsvågor i rymden och är ett koncept som länge studerats av både ESA och NASA.

ESA:s Science Program Committee tillkännagav valet vid ett möte den 20 juni. Uppdraget kommer nu att utformas, budgeteras och föreslås antas innan bygget påbörjas. LISA förväntas lanseras 2034. NASA kommer att vara partner med ESA i designen, utveckling, operationer och dataanalys av uppdraget.

Gravitationsstrålning förutspåddes för ett sekel sedan av Albert Einsteins allmänna relativitetsteori. Massiva accelererande föremål som sammansmältande svarta hål producerar vågor av energi som krusar genom tyget av rum och tid. Indirekta bevis på förekomsten av dessa vågor kom 1978, när subtila förändringar observerade i rörelsen hos ett par kretsande neutronstjärnor visade att energi lämnade systemet i en mängd som matchade förutsägelser om energi som fördes bort av gravitationsvågor.

I september 2015, dessa vågor upptäcktes först direkt av National Science Foundations markbaserade Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Signalen uppstod från sammanslagning av två svarta hål med stjärnmassa som ligger cirka 1,3 miljarder ljusår bort. Liknande signaler från andra sammanslagningar av svarta hål har sedan dess upptäckts.

Seismisk, termiska och andra bruskällor begränsar LIGO till högfrekventa gravitationsvågor runt 100 cykler per sekund (hertz). Men att hitta signaler från mer kraftfulla händelser, som sammanslagningar av supermassiva svarta hål i kolliderande galaxer, kräver förmågan att detektera frekvenser mycket lägre än 1 hertz, en känslighetsnivå endast möjlig från rymden.

LISA består av tre rymdfarkoster åtskilda av 1,6 miljoner miles (2,5 miljoner kilometer) i en triangulär formation som följer jorden i dess bana runt solen. Varje rymdfarkost bär testmassor som är avskärmade på ett sådant sätt att den enda kraft de reagerar på är gravitationen. Lasrar mäter avstånden för att testa massor i alla tre rymdfarkosterna. Små förändringar i längden på varje arm med två rymdskepp signalerar passagen av gravitationsvågor genom formationen.

Till exempel, LISA kommer att vara känslig för gravitationsvågor som produceras av sammanslagningar av supermassiva svarta hål, var och en med miljoner eller fler gånger solens massa. Den kommer också att kunna detektera gravitationsvågor som kommer från binära system som innehåller neutronstjärnor eller svarta hål, får deras banor att krympa. Och LISA kan upptäcka en bakgrund av gravitationsvågor producerade under universums tidigaste ögonblick.

I årtionden, NASA har arbetat för att utveckla många tekniker som behövs för LISA, inklusive mätning, mikroframdrivnings- och kontrollsystem, samt stöd för utveckling av dataanalystekniker.

Till exempel, GRACE uppföljningsuppdraget, ett amerikanskt och tyskt samarbete för att ersätta de åldrande GRACE-satelliterna som planeras för uppskjutning sent i år, kommer att bära ett lasermätningssystem som ärver några av de teknologier som ursprungligen utvecklades för LISA. Uppdragets Laser Ranging Interferometer kommer att spåra avståndsförändringar mellan de två satelliterna med oöverträffad precision, ger den första demonstrationen av tekniken i rymden.

2016, ESA:s LISA Pathfinder demonstrerade framgångsrikt nyckelteknologier som behövs för att bygga LISA. Var och en av LISAs tre rymdfarkoster måste försiktigt flyga runt sina testmassor utan att störa dem, en process som kallas dragfri flygning. Under de första två månaderna av verksamheten, LISA Pathfinder demonstrerade denna process med en precision som är cirka fem gånger bättre än dess uppdragskrav och nådde senare den känslighet som behövdes för hela observatoriet för flera rymdfarkoster. Amerikanska forskare har samarbetat kring aspekter av LISA Pathfinder i flera år, och uppdraget har ett NASA-levererat experiment som kallas ST7 Disturbance Reduction System, som hanteras av NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien.