Po šestnácti měsících vědeckého provozu ukončí demonstrátor LISA Pathfinder 30. června svou jedinečnou misi. A to už je více než podstatný důvod k tomu, abychom si její výkony představili detailněji. Tahle na první pohled nenápadná sonda nemá žádné kamery, kterými by si zasloužila prestižní místo na obálkách vědeckých časopisů, skrz které vede cesta k povědomí veřejnosti. Její přínos je ale přesto ohromný. Pomohla totiž učinit první krůčky k budoucí velké kosmické observatoři gravitačních vln, o které jsme nedávno psali.

LISA Pathfinder se do vesmíru vydala 3. prosince roku 2015 na špičce rakety Vega. Její cesta vedla do libračního centra L1 soustavy Slunce – Země. Tady zahájila v březnu loňského roku svou ostrou službu. Shodou okolností k tomu došlo jen krátce po oznámení prvního objevu gravitačních vln. Od té doby se lidstvo dočkalo dalších dvou podobných objevů a tak je jasné, že tenhle fenomén skutečně existuje.

Gravitační vlny vznikají urychlováním hmotných objektů a mají široké pole zdrojů – od výbuchů supernov přes obíhání neutronových hvězd blízko sebe až po kolizi černých děr. Signály, které jsme zatím detekovaly, mají frekvenci okolo 100 Hz, což odpovídá sloučení dvou černých děr s hvězdnými velikostmi. Ovšem rozsah gravitačních vln je mnohem širší. Abychom mohli plně nahlédnout do nového okna astronomie, je nutné mít možnost sledovat gravitační vlny s nižšími frekvencemi – mezi 0,1 mHz a 1 Hz. Ty vznikají kolizí supermasivních černých děr v centrech galaxií a můžeme je měřit pouze ve vesmíru.

LISA Pathfinder otestovala technologie, které využije její nástupce – třetí evropský projekt, který se může honosit přídomkem „velký“ – Laser Interferometer Space Antenna, nebo zkráceně LISA. Tato série tří družic by měla odstartovat v roce 2034 a zájem na misi má i NASA. V rámci mise LISA bude do vesmíru vypuštěno celkem šest testovacích objektů – dva v každé sondě. Každý pár těchto hmotných objektů bude umístěn na konci ramene pomyslného trojúhelníku a budou navzájem propojeny lasery.

Testovací hmotné objekty musí být vystaveny co možná nejdokonalejšímu volnému pádu a být izolovány od vnějších sil kromě gravitace. Jen tak mohou pomoci měřit zkreslení způsobené průchodem gravitační vlny. Tyto neviditelné vlny ovlivňují pomyslná vlákna časoprostoru v měřítkách miliontin miliontiny metru, ale dosahují do vzdálenosti milionů kilometrů. „Úkolem LISA Pathfinder bylo ověřit technologii pro projekt LISA, který potřebuje, aby se testovací objekty udržely na místě s nevídanou úrovní přesnosti,“ vysvětluje Paul McNamara, vědec z ESA a dodává: „Takové testy se nedají dělat na Zemi, a proto jsme šli do vesmíru.“

LISA Pathfinder tedy ukrývala dva hmotné testovací objekty, které byly spojené laserovým interferometrem. Tělo sondy bylo osazeno několika tryskami s tahem v řádu mikronewtonů, které korigovaly pohyb sondy kolem testovacích objektů. Podařilo se prokázat, že je možné, aby testovací objekty zůstávaly úplně bez pohybu při relativním zrychlení v řádu miliardtin miliardtiny zemské gravitace.

„Díky úžasnému úspěchu této sondy už víme, jak postavit projekty jako je LISA,“ říká Stefano Vitale z univerzity ve městě Trento, který byl hlavní postavu při vývoji srdce LISA Pathfinder. Tato sonda dokázala překonat i ty nejoptimističtější odhady – vždyť oficiální požadavky byly splněny už v prvních dnech provozu! Další měsíce tedy byly spíše ve znamení vylepšování již tak dokonalého provozu.

„Tenhle systém byl navržen tak dobře, že rozdíl v gravitačním poli ze samotné sondy měl na pozici testovacích objektů prakticky nulový vliv,“ vzpomíná Paul McNamara a dodává: „To výrazně snižuje síly, které musíme vyvinout ze sondy samotné, abychom objekty udrželi na místě – snižuje se tím i celkový šum experimentu.“

Během provozu vědci zkoušeli řídit pohyb sondy několika metodami a postupně se díky tomu učili všechny potřebné procesy a jejich vliv na skutečný hardware, který sledovali s téměř nepředstavitelnou úrovní přesnosti. První výsledky z této sondy byly představeny vloni v červnu, tedy téměř přesně před rokem – viz náš tehdejší článek. V časopise Physical Review Letters byla zveřejněna zpráva o tom, že LISA Pathfinder překonala na vysokofrekvenčním rozsahu 60 mHz – 1 Hz požadavky pro budoucí velkou observatoř více než stonásobně! I na nižších frekvencích (1 – 60 mHz) byla přesnost vyšší než požadovaná, přičemž limitujícím faktorem se staly odrazy molekul plynů od testovacích objektů. Ano, měřící zařízení bylo tak přesné, že dokázalo odhalit i takto slabé vlivy.

Postupem času se ukázalo, že tyto rušivé vlivy byly stále menší – molekuly plynů totiž postupně opustily uzavřený prostor a unikly do vesmíru. V lednu 2017 tým vypnul mnoho ohřívačů a sledoval, jaký vliv bude mít ochlazení sondy – teplota klesla z 22°C na 11°C, což dodatečně snížilo vnitřní tlak v uzavřeném prostoru na testovací objekty.

Sonda pracovala v nízkoteplotním režimu několik týdnů a výsledkem bylo další snížení reziduálního ruchu v pohybu testovacích objektů na frekvencích 1 – 60 mHz. V únoru pozemní tým zjistil, že tento ruch na daných frekvencích je více než 3× nižší, než co požaduje projekt velké gravitační observatoře. „Nepřekonali jsme jen požadavky pro LISA Pathfinder, ale i přesnost požadovanou pro samotný projekt LISA na všech frekvencích. Jsme s jistotou připraveni na další krok,“ prohlašuje Karsten Danzmann z Insitutu Maxe Plancka pro gravitační fyziku, který zároveň vede Institut gravitační fyziky při univerzitě v Hannoveru a který je hlavní postavou celého projektu LISA.

LISA Pathfinder také dosáhla velmi přesného měření vlivu kosmického záření – elektricky nabitých částic (elektronů a protonů) – na volný pád objektů. Výsledky těchto měření byly publikovány v dubnu letošního roku v časopise Physical Review Letters. Tyto poznatky budou důležité nejen pro budoucí observatoř gravitačních vln, ale i pro jiné kosmické experimenty studující gravitaci a další fyzikální základy.

Úplně mimo původní plány navíc LISA Pathfinder pomohla i v oboru kvantové fyziky. Data z jejích měření byla použita ve dvou studiích vydaných v časopise Physical Review D (studie 1, studie 2). Díky měření reziduální akcelerace mezi testovacími objekty mohly dvě nezávislé skupiny vědců vytvořit dosud nejpřesnější modely kolapsu vlnové funkce. Tyto modely se používají k vysvětlení dichotomie mezi kvantovými efekty, které jsou pozorovány v mikroskopickém měřítku a klasickým fyzikálním chováním, které sledujeme v makroskopickém světě.

V červnu – během posledního měsíce služby – provedli vědci a inženýři sérii zkoušek, které měly ověřit termální a optické vlastnosti vakuového boxu, ve kterém jsou uloženy testovací objekty. Další experimenty měřily změnu náboje těchto objektů, přičemž se porovnával rozdíl s hodnotami naměřenými dříve. Vědci tak chtějí zjistit, jak se celý systém v průběhu času změnil.

Dnešním dnem skončí sběr vědeckých dat a proběhne i finální experiment. Při něm se operátoři pokusí posunout hranice přesnosti manipulace s mechanismem, který má držet testovací objekty při startu a poté je uvolnit. V dalších dnech bude ještě probíhat série závěrečných provozních testů a poslední pokyn bude na sondu vyslán 18. července.

Sonda už v dubnu provedla předběžný „deorbitační manévr“, který ji poslal mimo librační centrum L1 vstříc dlouhodobě stabilní oběžné dráze kolem Slunce. „I když jsme smutní, že se musíme s pionýrskou misí LISA Pathfinder rozloučit, tak oficiální schválení mise LISA nám dává krásný smysl v pokračování a opravdu se těšíme na to, až budeme moci zahájit úvodní fázi této úžasné mise,“ uzavírá Oliver Jennrich, který v ESA zodpovídá za misi LISA.

Zdroje informací:
http://sci.esa.int/
http://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
http://sci.esa.int/science-e-media/img/4e/LPF_Artist_Impression_2015-11-24.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/9f/ligo20160211d.jpg
http://www.esa.int/…/LISA_Pathfinder_control_team.png
http://sci.esa.int/…/LISA_mother_spacecraft_connected_by_lasers_1280.jpg
http://sci.esa.int/…/ESA_LISA_Pathfinder_SpacecraftTransparent_view3_2k.jpg
http://www.esa.int/…/LISA_Pathfinder_performance.jpg
http://sci.esa.int/…/ESA_LISA-Pathfinder_LTP_core_assembly_orig_2k.jpg
http://i.imgur.com/zm3Isye.jpg
https://upload.wikimedia.org/…/9/97/LISA_Pathfinder.jpg/260px-LISA_Pathfinder.jpg