K tomu, abyste mohli detekovat největší kosmické kolize, potřebujete dost času, trpělivosti a spolehlivé lasery. V květnu proto NASA společně se zástupci průmyslových partnerů doručila Evropské kosmické agentuře první prototyp laseru pro mimořádnou misi LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Tento unikátní přístroj je navržen k detekci droboučkého vlnění gravitačního pole, které způsobuje třeba splynutí neutronových hvězd, černých děr a supermasivních černých děr ve vesmíru. Vývoj laserového vysílače pro misi LISA vede Anthony Yu z Goddardova střediska v Greenbeltu, stát Maryland.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/
„Vyvíjíme vysoce stabilní a robustní laser pro observatoř LISA,“ představuje práci svého týmu Yu a dodává: „Využili jsme zkušenosti, které jsme získali při minulých misích, ale i nejnovější technologie fotoniky a spolehlivosti technologií. Aby byly dosaženy náročné požadavky mise LISA, teď NASA vyvinula laserový vysílač využívající nízkoenergetický laser napojený na zesilovač z optických vláken.“ Experti vycházeli především ze zkušeností získaných při misi GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). „Vyvinuli jsme kompaktnější verzi hlavního oscilátoru,“ popisuje Yu a dodává: „Je mnohem menší, lehčí a má i menší spotřebu energie, což umožní splnit požadavky na dlouhou životnost plně redundantního hlavního oscilátoru.“
Aktuálně vytvořený prototyp je dvouwattový laser pracující v blízké infračervené části spektra. „Náš laser je zhruba 400× silnější než typické laserové ukazovátko, které má maximálně 5 miliwattů,“ porovnává Yu a pokračuje: „Velikost laserového modulu (pokud nepočítáme elektroniku) odpovídá objemu zhruba poloviny krabice od bot.“ Cenná zásilka nyní ze Spojených států dorazila do švýcarského města Neuchâtel, kde sídlí Švýcarské středisko elektroniky a mikrotechnologií CSEM. Právě zde by měly začít testy stability.
Zdroj: https://www.nasa.gov/
Mise LISA bude tvořena třemi družicemi, které poletí na oběžné dráze kolem Slunce za Zemí. Vůči sobě budou udržovat přesnou trojúhelníkovou formaci, ve které budou od sebe vzdálené 2,5 milionu kilometrů. Každá družice bude mířit dvěma lasery na zbylé dva exempláře. Laserový přijímač musí být schopen zachytit signál o intenzitě pouhých pár setin pikowattu, jelikož se paprsek laseru při cestě ke svému cíli rozšíří na průměr 20 kilometrů. Signál s časovým kódem integrovaným do paprsku umožní misi LISA měřit i ty nejdrobnější narušení během tohoto přenosu.
Zdroj: http://sci.esa.int/
Rozechvění struktury časoprostoru způsobené gravitačními vlnami způsobí detekovatelnou změnu vzdálenosti mezi družicemi. Měření těchto změn dá vědcům možnost určit, jak velká událost tyto vlny vyvolala a do které části vesmíru mají namířit své observatoře, aby pozorovali sekundární efekty této události. Výkyvy těchto gravitačních vln jsou tak droboučké, že je snadno překryjí vnější vlivy jako je tlak slunečního záření nebo nárazy prachových částic.K minimalizaci těchto vlivů byl v roce 2015 na misi LISA Pathfinder otestován koncept bezodporového řízení, který využívá volně poletující testovací blok uzavřený v útrobách družice jakožto referenční bod pro měření.
Kosmická mise LISA navazuje na výzkum pozemské observatoře LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) spadající pod National Science Foundation, která v roce 2015 zachytila první gravitační vlny. Od té doby se dvojici pozemských observatoří ve washingtonském Hanfordu a louisianském Livingstonu podařilo zachytit čtyři desítky splynutí. Thomas Hams, vědec pracující na misi LISA v ředitelství NASA ve Washingtonu říká, že přesnost laserových měření umožní vědcům přiblížit stopy gravitačních vln po těchto splynutích a umožní dalším observatořím zaměřit se na správnou část oblohy, aby zachytily tyto události v elektromagnetickém spektru. Kupříkladu americká gamma observatoř Fermi zachytila první takovou víceúrovňovou zprávu jen pár sekund poté, co pozemská observatoř LIGO zachytila přes gravitační vlny spojení dvou neutronových hvězd. „U mise LISA čekáme, že budeme schopni tyto jevy zaznamenat ještě předtím, než dojde k samotnému splynutí,“ říká Hams a dodává: „Bude tu indikátor, který nám řekne, že se něco blíží.“
Zdroj: https://upload.wikimedia.org
K dosažení požadované úrovně stability byly do týmu přizvány firmy Fibertek Inc. z Herndonu ve Virginii a Avo Photonics Inc. z města Horsham v Pennsylvánii, aby vyvinuly laser, oscilátor a zesilovač. Do týmu byl povolán také nezávislý optický inženýr z kalifornského San Jose. Firma Avo Photonics byla následně pověřena stavbou laseru pro observatoř. „Čelíte požadavkům na odolnost v kosmickém prostředí a požadavkům na toleranci optického vyrovnání na submikronové úrovni. To skutečně vyžaduje optické, tepelné a mechanické konstrukční schopnosti,“ přiznává Joseph L. Dallas, prezident Avo Photonics a dodává: „Navíc úzká šířka svazku, nízký šum a celková stabilita potřebná pro tuto misi jsou bezprecedentní.“
Zdroj: http://www.sr.bham.ac.uk
Tom Kane vyvinul technologii monolitického laserového oscilátoru, který nyní Goddarovo středisko využívá ke stabilizaci frekvence světla laseru. „Obyčejný laser může být velmi nepřesný,“ říká Kane a dodává: „Mohou se od cílové frekvence velmi výrazně odchylovat. Potřebujete „klidný“ laser, který má přesně jednu frekvenci a vytváří dokonalý svazek s přesností na 15 desetinných míst.“ Jeho technologie oscilátoru využívá tzv. zpětnovazebné smyčky (feedback loops), které udržují laser na přesné úrovni. „Z vlnové délky se nakonec stává pravítko pro tyto nepředstavitelné vzdálenosti,“ přirovnává Kane.
Nízkošumový zesilovač s vysokým výkonem zase dodala firma Fibertek. Ta už má zkušenosti se spoluprací s agenturou NASA. Podílela se totiž třeba na misích ICESat 2 (Ice Cloud and Land Elevation Satellite) a CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation), jejíž laser pracuje už 15 let. Jak říká Anthony Yu z Goddardova střediska, pokud započítáme i pozemní testování a potenciální prodloužení mise, musí být lasery mise LISA schopny pracovat až 16 let, aniž by přeskočily hertz. „Jakmile dojde ke startu, budou muset pracovat 24/7 po dobu pětileté základní mise. Po té přichází v úvahu šesti- až sedmiletá nadstavbová mise,“ uzavírá Yu.
Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/
Zdroje obrázků:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/LISA-waves.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/GRACE_artist_concept.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/lisalaser.jpg
http://sci.esa.int/../67/LISA_mother_spacecraft_connected_by_lasers_1280.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ad/LISA_motion.gif
http://www.sr.bham.ac.uk/yr4pasr/project06/GT/images/LISA%20orbit%202.jpg
Doteď jsem si myslel, že LISA je čistě evropský projekt. Zrovna laser je ale stěžejní část detektoru gravitačních vln. Chápu to tedy správně, že ESA opět nijak zvlášť nepřispěla a vývoj obstarávají Američané?
To se určitě říct nedá. Laser je určitě důležitý prvek celé mise, ale podobně důležitých systémů je tam celá řada a na těch už pracují evropští specialisté. LISA je evropský projekt, ale Američané mají o studium gravitačních vln dlouhodobě velký zájem.
Pokud si dobře vzpomínám, tak LISA byla původně projekt NASA, poté se z úsporných důvodů trochu osekala a nazvala NGO (sondy neměly být rovnocenné, ale „hlavní“ by lasery mířila na zbylé dvě, ale tyto dvě na sebe navzájem už nikoliv). No a teď se toho tedy asi chopila ESA a opět máme tři rovnocenné sondy.
Laser s požadovanými parametry sice není žádná hračka, ale dodat ho mohlo více subjektů. Za nejdůležitější považuji systémy odrušení vnějších vlivů a jejich integraci s detektory. A vůbec vymyslet to tak, aby to pracovalo s požadovanou přesností.
Primitivní formu tohoto systému si můžete postavit za pomoci lepších laserových ukazovátek a měřit tím třeba vibrace mostu. To, že si lasery nesmontujete na koleně ale objednáte si je za pár korun přes internet, Váš systém a Vaši práci na něm nijak neznehodnocuje.
Naopak rád vidím, že se do toho NASA opět zapojuje, když se na to před lety vykašlali. ESA to ušetří prostředky na jiné projekty.
Radovat se, že to převezme a zaplatí NASA, je hodně krátkozraké. Je v zájmu evropských zemí, aby zde probíhal špičkový výzkum a vývoj. Systémy, které vyzdvihujete, sice asi nebudou něco, co by dodala i Indie, ale byly již v roce 2015 otestovány na misi LISA Pathfinder, proto mi ten laser připadá jako větší výzva.
Díky za článok!
Len nechápem výroku – „U mise LISA čekáme, že budeme schopni tyto jevy zaznamenat ještě předtím, než dojde k samotnému splynutí“. To akým spôsobom, resp. prístrojom?
Už v době, kdy se k sobě obě tělesa blíží (respektive kolem sebe obíhají a přibližují se k sobě) a schyluje se ke kolizi, tak rozechvívají časoprostor a vytváří také gravitační vlny.
Bude možné detekovat i GW o nižších frekvencích, než na pozemních interferometrech – což znamená, že tu spirálu smrti neutronových hvězd, nezadržitelně se blížících k finálnímu splynutí půjde detekovat dříve.
Pozastavím se u takové základní věci jako jsou ty vzdálenosti a rozměry, protože mám zkušenost, že to pořád je pro drtivou většinu pozemšťanů naprosto neintuitivní – a proto je zajímavé se nad tím pozastavit:
Na obrázku a animaci vidíme trojúhelník z družic obíhající kolem Slunce. Vypadá to, že ty družice jsou „blízko sebe“ – relativně vzhledem k té oběžné dráze. A míří na sebe lasery, o kterých z běžné zkušenosti víme, že (krom jiných vlastností) se u kvalitních nerozbíhá světelný paprsek. A najednou čteme, že je potřeba extrémně citlivý přijímač na každé družici, protože ten superkvalitní laserový svazek na příjmu bude u ní mít průměr už 20 km, takže z něj přijímač bude muset lovit strašně malinkou část. Tak jak je to možné? A ono opravdu, ty vzdálenosti jsou tak obrovské – ta rozbíhavost laserového svazku, jestli správně počítám, je cca jedna tisícina stupně!
Jsou to opravdu neintuitivní vzdálenosti. A to ještě kdybychom spočítali podobnou úlohu pro Voyager…
Perfektní rozbor, díky moc!