De slutliga resultaten från ESA-satelliten LISA Pathfinder (LPF) har publicerats idag. Med hjälp av data som tagits före uppdragets slut i juli 2017, LPF-teamet – inklusive forskare från Max Planck Institute for Gravitational Physics i Hannover och Leibniz Universität Hannover – förbättrade avsevärt de första resultaten som publicerades i mitten av 2016. LPF har nu överträffat kraven på nyckelteknologier för LISA, det framtida gravitationsvågsobservatoriet i rymden, med mer än en faktor två över hela observationsbandet. LISA är planerad att skjuta upp i rymden 2034 som ett ESA-uppdrag och kommer att "lyssna" på lågfrekventa gravitationsvågor från sammansmältning av supermassiva svarta hål i hela universum och tiotusentals binära stjärnor i vår galax.

En syn att skåda

"LISA Pathfinder demonstrerade på ett vackert sätt nyckelteknologierna för LISA, det framtida gravitationsvågsobservatoriet i rymden:det perfekta ostörda fria fallet av två kubiska testmassor inuti rymdfarkosten, " säger prof. Karsten Danzmann, direktör vid Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI) och chef för Institutet för gravitationsfysik vid Leibniz Universität Hannover, som också är huvudutredare för LISA Technology Package. "Vi blev blåsta av resultaten under de första veckorna av uppdraget, men våra slutliga resultat med hjälp av mer och bättre data och en djupare förståelse av vårt rymdlaboratorium LPF är verkligen en syn att se."

Medan de första LPF-resultaten redan översteg LISA-kraven vid höga frekvenser (över 0,01 Hz), den nya publikationen visar att kraven är slagen med mer än en faktor två ända ner till 0,00002 Hz – hela LISA-frekvensbandet.

Två guld-platina kuber på den tystaste platsen i rymden

En kombination av flera effekter gjorde det möjligt för LPF-forskarna att ytterligare förbättra de initiala resultaten, minska de återstående bullerkällorna, och skapa en ännu tystare miljö för de två kubiska guld-platina testmassorna:

• Efter ytterligare flera månader av ventilering av testmassvakuumkamrarna till rymden, deras restgastryck – som tidigare begränsade mätningarna – sjönk med en faktor 10.
• Tillgången till mer data förbättrade förståelsen av den lilla tröghetskraft som verkar på kuberna som orsakas av rymdfarkostens bana och hur den var orienterad i rymden. Förbättrad kontroll i LISA kommer att eliminera denna effekt ytterligare.
• En mer exakt beräkning av de elektrostatiska krafterna hos de elektriska systemen ombord och magnetfälten har nu också eliminerat en systematisk källa till lågfrekvent brus.
• Statistisk analys har gjort det möjligt för forskare att ta bort effekterna av ytterligare sporadiska händelser ("glitches") för att mäta bruset vid ännu lägre frekvenser än förväntat.

Denna demonstration av nästan perfekt fritt fall av två testmassor över ett brett frekvensband är ett kritiskt riktmärke för LISA-uppdraget och framtida multi-budbärarastronomi i samarbete med andra observatorier (elektromagnetiska vågor).

Den första laserinterferometern någonsin i rymden

Dessutom, laserinterferometern, den första någonsin i rymden, presterade mer än 100 gånger bättre än kraven, och 30 gånger bättre än någonsin i markbaserade laboratorier. Det möjliggjorde en detaljerad undersökning av subtila små bullerkällor och artefakter, ackumulerar därmed ytterligare erfarenhet och bygger förtroende för laserinterferometrin för LISA. Konstruktionen av det exakta optiska mätsystemet leddes av forskare från Max Planck och Leibniz Universitäts forskare i Hannover.

Gravitationsvågastronomis framtid med LISA

LISA är planerad att lanseras i rymden 2034 som ett uppdrag från Europeiska rymdorganisationen (ESA). Det stöds av många ESA-medlemsstater såväl som NASA och många forskare som arbetar tillsammans över Atlanten.

LISA kommer att bestå av tre satelliter som spänner över en liksidig triangel med varje sida 2,5 miljoner kilometer lång. Gravitationsvågor som passerar genom formationsflygningen i rymden ändrar dessa avstånd med en biljondels meter.

LISA kommer att mäta lågfrekventa gravitationsvågor med svängningsperioder från 10 sekunder till mer än en halv dag, som inte kan observeras med detektorer på jorden. Dessa sänds ut av händelser som supermassiva svarta hål med miljontals gånger solens massa som smälter samman i galaxernas centrum, omloppsrörelserna för tiotusentals dubbelstjärnor i vår galax, och möjligen exotiska källor som kosmiska stråkar.