Externe factoren zoals zonnewind en kosmische straling duwen LISA’s satellieten onregelmatig een piepklein beetje uit hun baan, wat de metingen verstoort. Daarom huist in elke satelliet een vrij zwevende testmassa—een kubus van goud en platina met zijden van 46 millimeter. De behuizing beschermt die tegen ongewenste invloeden zoals de zonnewind en kosmische straling, zodat ze alleen onderhevig zijn aan zwaartekrachtsinvloeden. Elke satelliet gebruikt zijn testmassa vervolgens als referentiepunt om zijn oorspronkelijke plek en oriëntatie weer in te nemen met een precisie van tien nanometer, ofwel één tienduizendste van de dikte van een haar.

Om zeker te weten dat het concept van interferometrie werkt bij vrij zwevende testmassa’s in de ruimte, lanceerde ESA in 2015 LISA Pathfinder. Dit enkelvoudige ruimtevaartuig bevatte twee testmassa’s op een onderlinge afstand van ongeveer 40 cm en testte daar de LISA-technologie op. Ontstaat er niet teveel ruis door de continue onderlinge beweging van de testmassa’s? Is de ruis van LISA’s detectoren wel laag genoeg zodat de lasersignalen er nog bovenuit komen na hun miljoenen kilometers lange reis? Na twee jaar testen bleek dat de technologie meer dan klaar is om aan de vereisten voor LISA te voldoen.

De ‘quadrant photo receivers’, kortweg QPRs , registreren de infrarode laserstralen tussen LISA’s drie satellieten, met daarin afgedrukt voorbijkomende gravitatiegolven, en vormen daarmee LISA’s ‘ogen’. De laserstralen hebben een vermogen van enkele Watts, maar divergeren tijdens hun 2,5-miljoen kilometerlange reis zodanig dat er slechts enkele honderden picoWatts overblijven. Het interferentiesignaal heeft dan ook een amplitude van minder dan 1% en is bovendien ‘heterodyne’ hetgeen betekent dat het varieert met een frequentie in de orde van MHz. Een van de grote uitdagingen is dan ook om de ruis voldoende laag te krijgen. 

Per satelliet zijn er 24 QPRs nodig, om niet alleen de 2,5 miljoen km te meten met een precisie van 1 picometer, maar ook andere afstanden binnen het meetsysteem om die picometer meetnauwkeurigheid te waarborgen. Bovendien is elke QPR vier maal uitgevoerd. Een QPR bestaat uit een millimeter-grote fotodiode, uitleeselektronica en een vormvaste behuizing. De ontwikkeling van de fotodiode is door Nikhef, SRON en het Nederlandse bedrijf Bright Photonics ter hand genomen. SRON en Nikhef hebben daarvoor in 2019 een startimpuls gekregen vanuit de Nationale Wetenschapsagenda, in 2021 een NWO-M subsidie en in 2023 een deel van een Roadmap-subsidie van NWO. De behuizing wordt ontworpen door SRON en Nikhef. De uitleeselektronica, ook cruciaal voor een laag ruisniveau, wordt ontworpen door KU Leuven en het Belgische bedrijfsleven, met ondersteuning van het Albert Einstein Instituut in Hannover (Duitsland). In 2023 werd een eerste mijlpaal gehaald met de succesvolle bouw van een prototype dat voldeed aan een aantal belangrijke eisen, zoals de ruis en thermische stabiliteit. In 2023-2025 wordt gewerkt aan een volgende versie van de QPR die gebruikt zal worden in een zogenaamd Engineering Model van het Interferometrische Detectie Systeem (IDS) van LISA. Dit behelst het ontwerp en de bouw van 12 QPRs voor de volledige bezetting van een optische bank van het IDS. Uiteindelijk zullen er 72 QPRs gebouwd en getest moeten worden voor de vlucht van LISA in 2035.

TNO ontwikkelt prototypes voor het richten van delen van de optica: LISA's bril. Hiermee kunnen bijvoorbeeld de laserstralen precies uitgelijnd worden. De 2,5 miljoen kilometer tussen LISA's drie ruimtevaartuigen varieert namelijk continu binnen een marge van ongeveer tienduizend kilometer. Gelukkig gaat dat zo geleidelijk dat het de metingen niet verstoort. De hoek tussen twee ruimtevaartuigen, gezien vanuit het derde vaartuig, verandert ook continu. De laserstralen moeten daardoor vaak worden bijgericht. TNO ontwikkelt hiervoor mechanismes die met een nauwkeurigheid van milliboogseconden kunnen richten, wat neerkomt op het aanwijzen van een dubbeltje op de Eiffeltoren vanuit Nederland. 

Een centraal onderdeel van LISA is de optische tafel, waarvan er zes in LISA zitten; twee op elke satelliet. Deze tafel is een ronde glazen schijf met een diameter van circa dertig centimeter waarop tientallen optische componenten bevestigd zijn, waaronder twaalf QPRs, maar ook een aantal mechanismen. Deze mechanismen kunnen door het draaien van spiegels of andere optische elementen een laserstraal bijsturen, of wisselen naar een laserstraal van een back-up laser. Daarvoor is elektronica nodig die de posities van die elementen nauwkeurig uitleest en verandert. Dit noemen we daarom de ‘control elektronica‘. Voor elk van de drie types mechanismen op de optische tafel van LISA is specifieke elektronica nodig, die samen gebracht worden in de zogenaamde ‘mechanisms control unit’ (MCU); één unit voor elk van de zes optische banken. De drie types van mechanismen worden ontwikkeld door drie verschillende partijen, uit Nederland, België en Tsjechië. Het Nederlandse mechanisme is het Point Ahead Angle Mechanism (PAAM, zie het stuk hierboven) dat ontwikkeld wordt door TNO-Delft. De control elektronica daarvoor wordt ontwikkeld door SRON. SRON heeft ook de eindverantwoordelijkheid over de MCU. Dit behelst het opstellen van de eisen voor de drie elektronische boards zodat ze in de MCU passen, het integreren van deze boards in één behuizing, de ontwikkeling van een digitaal elektronica board voor de input/output van signalen naar buiten en de verdeling en omzetting van elektrische spanningen naar de verschillende boards.

Het Nederlandse consortium wil ook bijdragen leveren aan de software, die bij zwaartekrachtsdetectoren een grotere rol speelt dan bij conventionele telescopen. LISA kan immers niet op een klein stukje hemel richten en ziet de hele hemel constant, zodat de software onderscheid moet maken tussen de veelvoud aan signalen uit allerlei richtingen die de satellieten continu aan het trillen brengen op meerdere frequenties en amplitudes. Bovendien kan LISA geen gebruik maken van een interne kalibratiebron. Daarom moet ze steeds in de data zoeken naar betrouwbare signalen van bronnen uit de ruimte en die vergelijken met de signalen van interessante bronnen. Verder kunnen zwaartekrachtsgolfdetectoren en conventionele telescopen elkaar versterken door gelijktijdig naar hetzelfde verschijnsel te kijken. Voor die afstemming is ook software vereist. LISA-NL staat klaar om bijdragen te leveren aan de software op al deze terreinen.  

Specifiek wil LISA-NL onderzoeken wat de relatie zal zijn tussen de kalibratie vooraf op de grond, en de in-flight kalibratie. En het consortium wil met LISA’s  simulatie-software bepalen aan welke vereisten een conventionele telescoopobservatie moet voldoen om iets toe te voegen aan LISA-observaties. Om deels het probleem op te lossen van de vele signalen die tegelijkertijd LISA overspoelen, wil LISA-NL software ontwikkelen op basis van machine learning en hierarchical identification.

Verder wil het consortium voor haar eigen fotodiodes en het point-ahead angle mechanisme een nieuw ruismodel ontwikkelen, met speciale aandacht voor de koppeling daartussen, om te zeker te weten dat ze niet teveel ruis produceren.