В NASA создали лазер для обнаружения гравитационных волн

Специалисты НАСА, работающие с отраслевыми партнерами, представили первый прототип лазера для миссии космической антенны с лазерным интерферометром, или LISA, возглавляемой Европейским космическим агентством. Этот уникальный лазерный прибор предназначен для обнаружения характерных волн в гравитационных полях, вызванных слиянием нейтронных звезд, черных дыр и сверхмассивных черных дыр в космосе.

Прототип лазера находится в стеклянном ящике на перфорированном металлическом столе.
Первый прототип лазера находится на испытательном стенде в Швейцарском центре электроники и микротехнологий (CSEM) со штаб-квартирой в Невшателе, Швейцария. CSEM проверит и определит характеристики лазера, который будет использоваться для проведения экспериментов с гравитационными волнами в космосе для миссии LISA.
Источник: Европейское космическое агентство / CSEM

«Мы разрабатываем высокостабильный и надежный лазер для обсерватории LISA, – сказал Энтони Ю из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, возглавляющий разработку лазерного передатчика для LISA. – Мы использовали уроки, извлеченные из предыдущих миссий, и новейшие технологии в области фотоники и проектирования надежности. Теперь, чтобы удовлетворить сложные требования LISA, НАСА разработало систему, которая производит лазерный передатчик с использованием маломощного лазера, усиленного оптоволоконным усилителем».

Команда опирается на лазерную технологию, используемую в миссии НАСА по восстановлению гравитации и климату, или GRACE . «Мы разработали более компактную версию задающего генератора», – сказал Юй. «Он имеет гораздо меньший размер, вес и потребляемую мощность, что позволяет использовать задающий генератор с полным резервированием для обеспечения длительного срока службы».

Прототип лазера LISA представляет собой 2-ваттный лазер, работающий в ближней инфракрасной части спектра. Для сравнения данный лазер в 400 раз мощнее типичной лазерной указки, которая выдает около 5 милливатт или меньше. В то же время размер лазерного модуля, без учета электроники, составляет примерно половину объема типичной коробки из-под обуви.

Швейцарский центр электроники и микротехнологии (CSEM) со штаб-квартирой в Невшателе, Швейцария, подтвердил получение лазеров и приступит к их тестированию на стабильность.

Миссия LISA

LISA будет состоять из трех космических кораблей, следующих за Землей по ее орбите вокруг Солнца и летающих в точном построении, с расстоянием между ними 2,5 миллиона километров. Каждый космический корабль будет постоянно направлять два лазера на свои аналоги. Лазерный приемник должен быть чувствителен к мощности сигнала в несколько сотен пиковатт, поскольку лазерный луч распространится примерно на 20 километров к тому времени, когда он достигнет своего космического корабля-цели. Сигнал временного кода, встроенный в лучи, позволяет LISA измерять малейшие помехи в этих передачах.

Гравитационные волны

Волны в ткани пространства-времени размером с пикометр – в 50 раз меньше атома водорода – вызовут заметное изменение расстояний между космическими кораблями. Измерение этих изменений даст ученым общий масштаб того, что произошло в результате столкновения, вызвавшего эту рябь, и представление о том, куда в небе нацелить другие обсерватории, ищущие вторичные эффекты.

Эти колебания гравитационных волн настолько малы, что они могут быть скрыты внешними силами, такими как удары пыли и радиационное давление солнечного света на космический корабль. Чтобы смягчить это, концепция управления без перетаскивания, продемонстрированная в миссии LISA Pathfinder в 2015 году, использует свободно плавающие тестовые массы, укрытые внутри каждого космического корабля, в качестве контрольных точек для измерения.

LISA расширяет работу обсерватории гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) Национального научного фонда, которая впервые зафиксировала гравитационные волны в 2015 году . С тех пор пара наземных обсерваторий в Хэнфорде, Вашингтоне и Ливингстоне, Луизиана, зафиксировала четыре десятка слияний.

Прецизионные лазерные измерения

Томас Хэмс, научный сотрудник LISA в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, сказал, что прецизионные лазерные измерения позволят нам приблизить сигнатуры гравитационных волн этих слияний и позволят другим обсерваториям сосредоточиться на правой части неба, чтобы запечатлеть эти события в электромагнитный спектр.

НАСА Ферми гамма-излучения космического телескопа взял первое такое наблюдение multimessenger всего за несколько секунд после того, как LIGO обнаруженное слияние двух нейтронных звезд через гравитационных волн.

«Надеюсь, что с LISA вы сможете увидеть развитие этих вещей до того, как слияние действительно произойдет, – сказал Хэмс. – Будет индикатор того, что что-то приближается».

Промышленное партнерство

Для достижения требуемой стабильности команда привлекла Fibertek Inc. в Херндон, штат Вирджиния, и Avo Photonics Inc. в Хоршаме, штат Пенсильвания, для разработки лазера, генератора и усилителя мощности, а также независимого инженера-оптика в Сан-Хосе, штат Калифорния.

Компания Avo Photonics создала лазер для обсерватории.

«Здесь вы сталкиваетесь с проблемами, связанными с требованиями к прочности в космосе, помимо требований к допускам на оптическое выравнивание на субмикронном уровне. Они действительно улучшают ваши оптические, тепловые и механические решения, – сказал президент Avo Photonics Джозеф Л. Даллас. «Кроме того, малая ширина линии, низкий уровень шума и общая стабильность, необходимые для этой миссии, беспрецедентны».

Тихий лазер

Пионер фотоники Том Кейн изобрел технологию монолитного лазерного генератора, которую Годдард использовал для стабилизации частоты лазерного излучения.

«Ваш средний лазер может быть очень грязным, – сказал Кейн. – Они могут блуждать вокруг своей целевой частоты. Вам нужен «тихий» лазер с ровно одной длиной волны и идеальным лучом с точностью до 15 десятичных знаков ».

Его осцилляторная технология использует петли обратной связи, чтобы лазер горел с такой точностью. «Длина волны в конечном итоге становится линейкой этих невероятных расстояний», – сказал Кейн.

Мощный малошумящий усилитель был произведен компанией Fibertek.

Компания Fibertek также внесла свой вклад в создание спутника НАСА для измерения высоты ледяных облаков и высотной отметки (ICESat) 2 и спутника наблюдения за облаками и аэрозолями и инфракрасного спутника Pathfinder (CALIPSO), на котором в течение 15 лет использовался лазер, направленный на Землю.

«Включая время для наземных испытаний и возможное продление миссии, лазеры LISA должны работать без пропуска герц в течение 16 лет, – сказал Ю из Годдарда. – После запуска они должны будут работать круглосуточно без выходных в течение пяти лет для первоначальной миссии, а затем, возможно, от шести до семи лет в расширенной миссии. Нам нужно, чтобы они были стабильными и тихими».

Ученые спрогнозировали еще одну вспышку от взрыва сверхновой

Читайте обзоры:

-->