22 augustus 2019

Bouw van LiteBIRD, de satelliet die zwaartekrachtgolven van de oerknal gaat opsporen, is goedgekeurd

Litebird. Credits: JAXA / ISAS.

De Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA en het Institute for Space and Astronautical Science (ISAS) hebben deze week de bouw goedgekeurd van LiteBIRD (‘Lite (Light) satellite for the studies of B-mode polarization and Inflation from cosmic background Radiation Detection’), een satelliet die op zoek gaat naar de zogeheten primordiale zwaartekrachtgolven. Dat zijn zwaartekrachtgolven die niet afkomstig zijn van botsende zwarte gaten of neutronensterren, zoals al vele malen door LIGO en Virgo zijn gedetecteerd, maar van de oerknal zelf, waarmee 13,8 miljard haar geleden het heelal ontstond. Wat eerder Planck en BICEP2 niet lukte dat hopen ze met LiteBIRD wel voor elkaar te krijgen: B-mode polarisatie meten in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: cosmic microwave background, CMB). De satelliet komt in het Lagrangepunt L2 te hangen, anderhalf miljoen km van de aarde verwijderd, ver van storende signalen van de aarde. Eén stoorzender komt van buitenaf en dat is de Melkweg. Een deel van de B-mode polarisatie komt namelijk van stof dat in de Melkweg zit en dat helemaal niets met de oerknal te maken heeft.

Credits: BICEP2 Collaboration.

Met die genoemde BICEP2 detector, die op de Zuidpool staat, dachten ze in 2014 ook primordiale zwaartekrachtgolven te hebben gedetecteerd (zie de afbeelding hierboven), maar dat gemeten signaal bleek nadien dus veroorzaakt te worden door lokaal stof. LiteBIRD moet er dus in slagen om die B-mode polarisatie zodanig te meten dat ze in staat zijn om het deel dat door lokaal stof wordt veroorzaakt eruit te filteren en de polarisatie over te houden die veroorzaakt is door de primordiale zwaartekrachtgolven.

De instrumenten aan boord van de LiteBIRD satelliet. Credits: JAXA / ISAS.

LiteBIRD zal maar liefst 3000 bolometers bevatten, supergeleidende detectoren die worden gekoeld tot 100 mK (milikelvin) en die waarnemen in 15 frequentiebanden tussen 34 GHz en 448 GHz. Ze hopen de satelliet in 2027 te kunnen lanceren en dan zal ‘ie drie jaar waarnemingen verrichten vanuit L2. Met LiteBIRD hopen de sterrenkundigen de tensor-scalar verhouding r van de B-modi te kunnen meten (zie hieronder), waarbij de satelliet een verwachte nauwkeurigheid van r <0,001 kan bereiken. De huidige limiet voor r op basis van waarnemingen gedaan met de Planck satelliet is r <0,062. De meeste modellen van de oerknal met inflatie voorspellen r>0,01.

Credits: BICEP2/NASA/CERN

De tensor-scalar verhouding r

In het allervroegste heelal (13,8 miljard jaar geleden) was er een complexe mix van zwaartekrachtsgolven in de ruimtetijd, dichtheidsgolven in de (donkere) materie en een heleboel straling van fotonen en neutrino’s (zie afbeelding hierboven). Natuurkundigen stellen die zwaartekrachtsgolven voor als tensoren, omdat ze zowel een richting als sterkte bevatten, de dichtheidsgolven zijn scalars, die alleen een sterkte op een bepaald punt bevatten. De verhouding tussen de tensor van de zwaartekrachtsgolven en de scalar van de dichtheidsgolven wordt r genoemd. R is een belangrijke parameter voor de inflatietheorie van de oerknal, de theorie die stelt dat er zeer kort van de oerknal een korte fase is geweest waarin het heelal exponentieel uitdijde.

E-modi en B-modi in de CMB polarisatie (linker- resp. rechterafbeelding) en de ‘vervuiling’ door zwaartekrachtlenzen op de CMB (middelste afbeelding). Credit: D. Hanson, et al.

De B-modus van zwaartekrachtgolven

E- en B-modi van zwaartekrachtsgolven hebben een analogie met de welbekende elektrostatica, de leer van de rustende of statische elektriciteit, waarin de eigenschappen van statische elektrische ladingen worden bestudeerd. In de elektrostatica heeft het elektrisch veld (E-veld) een verdwijnende vector rotatie, het magnetische veld (B-veld) een verdwijnende vector divergentie – verdwijnend in de zin dat ze naar 0 gaan. Er zijn twee vormen van polarisatie van licht, de circulaire en lineaire polarisatie en voor dit verhaal houden we ons alleen met de lineaire polarisatie bezig, de eerste vorm komen we vooral in licht afkomstig van de zon tegen. Bij lineaire polarisatie hebben we lichtgolven die maar in één richting (of anders gezegd: maar in één vlak) vibreren. De reeds in 2002 met de DASI-interferometer ontdekte E-mode polarisatie in de CMB is ontstaan door zogenaamde Thompson verstrooiing van de straling, kort voor het laatste moment van de verstrooiing, 380.000 jaar na de oerknal. B-mode polarisatie daarentegen ontstaan door zwaartekrachtgolven, waarbij de ene variant een soort van vervuiling kent door gravitatielenzen en stof uit de Melkweg, de andere niet vervuild is, de primordiale B-modes, afkomstig uit de inflatieperiode, zeer kort na de oerknal. Door die vervuiling door gravitatielenzen, veroorzaakt door massieve clusters van sterrenstelsels, kan overigens ook de E-mode polarisatie veranderen in B-mode polarisatie, hetgeen het waarnemen er niet gemakkelijker op maakt.

Credit: Krauss et al.

Hierboven een illustratie van de E- en B-modes polarisatie, links de E-mode, rechts B-mode. Merk op dat bij de B-mode de vibraties van het licht telkens 45° van elkaar verschillen.

Bron: In the Dark + Francis Naukas.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.