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 1 Watt, maar divergeren tijdens hun 2,5-miljoen kilometerlange reis zodanig dat er slechts 250 picoWatt overblijft. 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 dubbel uitgevoerd. Een QPR bestaat uit een millimeter-grote fotodiode, uitleeselektronica en een vormvaste behuizing. De ontwikkeling van de fotodiode is door Nikhef, SRON en de Nederlandse bedrijven Bright Photonics en Smart Photonics ter hand genomen. SRON en Nikhef hebben daarvoor in 2019 een startimpuls gekregen vanuit de Nationale Wetenschapsagenda en in 2021 een NWO-M subsidie. De behuizing, met een instelmechanisme om de fotodiode met micrometer-nauwkeurigheid uit te lijnen tegen de laserstraal, wordt ontworpen door SRON en Nikhef. De uitleeselektronica, ook cruciaal voor een laag ruisniveau, wordt ontworpen door KU Leuven en het Belgische bedrijf Magics, met ondersteuning van het Albert Einstein Instituut in Hannover (Duitsland).

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‘ genoemd. 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 hieronder) dat ontwikkeld wordt door TNO-Delft. De control elektronica daarvoor wordt ontwikkeld door SRON.. SRON is ook kandidaat om de eindverantwoordelijkheid te krijgen 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.