NASA leverer laser til LISA-missionen

At finde de største kollisioner i universet tager tid, tålmodighed, og super stabile lasere.

I maj, NASA-specialister, der arbejder med industripartnere, leverede den første prototypelaser til den europæiske rumfartsorganisation-ledede Laser Interferometer Space Antenna, eller LISA, mission. Dette unikke laserinstrument er designet til at detektere de afslørende krusninger i gravitationsfelter forårsaget af fusioner af neutronstjerner, sorte huller, og supermassive sorte huller i rummet.

Anthony Yu ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, leder udviklingen af ​​lasersender til LISA.

"Vi er ved at udvikle en meget stabil og robust laser til LISA-observatoriet, " sagde Yu. "Vi har udnyttet erfaringer fra tidligere missioner og de nyeste teknologier inden for fotonikpakning og pålidelighedsteknik. Nu, at opfylde de udfordrende LISA-krav, NASA har udviklet et system, der producerer en lasersender ved at bruge en laveffektlaser forstærket af en fiberoptisk forstærker."

Holdet bygger videre på laserteknologien brugt i NASA's Gravity Recovery and Climate Experiment, eller NÅDE, mission. "Vi udviklede en mere kompakt version som en master oscillator, " sagde Yu. "Den har meget mindre størrelse, vægt, og strømforbrug for at tillade en fuldstændig redundant masteroscillator til langvarige levetidskrav."

LISA-laserprototypen er en 2-watt laser, der opererer i den nær-infrarøde del af spektret. "Vores laser er omkring 400 gange stærkere end den typiske laserpointer, der udsender omkring 5 milliwatt eller mindre, " sagde Yu. "Lasermodulets størrelse, ikke inklusive elektronikken, er omkring halvdelen af ​​volumen af ​​en typisk skoæske."

Det schweiziske center for elektronik og mikroteknologi (CSEM), med hovedkontor i Neuchâtel, Schweiz, bekræftet modtagelse af laserne og vil begynde at teste dem for stabilitet.

LISA vil bestå af tre rumfartøjer, der følger Jorden i dens kredsløb om Solen og flyver i en præcisionsformation, med 1,5 millioner miles (2,5 millioner kilometer), der adskiller hver enkelt. Hvert rumfartøj vil løbende pege to lasere mod dets modstykker. Lasermodtageren skal være følsom over for et par hundrede pikowatts signalstyrke, da laserstrålen vil sprede sig til omkring 12 miles (20 kilometer), når den når sit målrumfartøj. Et tidskodesignal indlejret i strålerne gør det muligt for LISA at måle den mindste interferens i disse transmissioner.

Krusninger i rumtidens stof så små som et pimeter - 50 gange mindre end et brintatom - vil producere en påviselig ændring i afstandene mellem rumfartøjet. Måling af disse ændringer vil give forskerne den generelle skala for, hvad der kolliderede for at producere disse krusninger og en idé om, hvor på himlen de skal sigte mod andre observatorier på udkig efter sekundære effekter.

Disse gravitationsbølgesvingninger er så små, at de ville blive sløret af eksterne kræfter såsom støvpåvirkninger og strålingstrykket fra sollys på rumfartøjet. For at afbøde dette, det trækfrie kontrolkoncept – demonstreret på LISA Pathfinder-missionen i 2015 – bruger fritflydende testmasser i læ inde i hvert rumfartøj som referencepunkter for målingen.

LISA udvider arbejdet fra National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som fangede sin første optagelse af gravitationsbølger i 2015. Siden da, parret af jordbaserede observatorier i Hanford, Washington, og Livingston, Louisiana, har erobret fire dusin fusioner.

Thomas Hams, programforsker for LISA ved NASAs hovedkvarter i Washington, sagde, at præcisionslasermålingerne vil give os mulighed for at zoome ind på gravitationsbølgesignaturerne af disse fusioner og gøre det muligt for andre observatorier at fokusere på den højre del af himlen for at fange disse begivenheder i det elektromagnetiske spektrum.

NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope opfangede den første sådanne multimessenger-observation kun få sekunder efter, at LIGO opdagede en sammensmeltning af to neutronstjerner gennem gravitationsbølger.

"Med LISA, håbet er, at du vil være i stand til at se disse ting udvikle sig, før fusionen rent faktisk sker, " sagde Hams. "Der vil være en indikator på, at der er noget på vej."

Industripartnerskab

For at opnå den nødvendige stabilitet, holdet bragte Fibertek Inc. i Herndon, Virginia, og Avo Photonics Inc. i Horsham, Pennsylvania, at udvikle laseren, oscillator, og effektforstærker, og en uafhængig optisk ingeniør i San Jose, Californien.

Avo Photonics byggede laseren til observatoriet.

"Her har du udfordringerne med rumbårne robusthedsbehov, oven på submikron-niveau optisk justeringstolerancekrav. Disse presser virkelig din optiske, termisk, og mekanisk design chops, " Avo Photonics præsident Joseph L. Dallas sagde. "Derudover, den smalle linjebredde, lav støj, og den overordnede stabilitet, der er nødvendig for denne mission, er uden fortilfælde."

Fotonik-pioneren Tom Kane opfandt den monolitiske laseroscillatorteknologi, som Goddard brugte til at stabilisere frekvensen af ​​laserlyset. "Din gennemsnitlige laser kan være meget rodet, " sagde Kane. "De kan vandre rundt omkring deres målfrekvens. Du har brug for en 'stille' laser, der har præcis én bølgelængde og en perfekt stråle ud til 15 decimaler med nøjagtighed."

Hans oscillatorteknologi bruger feedback-loops til at holde laseren brændende med en sådan præcision. "Bølgelængden ender med at blive herskeren for disse utrolige afstande, " sagde Kane.

Den høje effekt, støjsvag forstærker kom fra Fibertek.

Fibertek bidrog også til NASAs Ice Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) 2 og Cloud-Aerosol Lidar og Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO), som har drevet en laser rettet mod Jorden i 15 år.

Herunder tid til test på jorden og potentielle missionsudvidelser, LISAs lasere skal fungere uden at springe en hertz over i op til 16 år, sagde Goddards Yu.

"Når den er lanceret, de skal være i drift 24/7 i fem år til den første mission, med en mulig seks til syv års forlænget mission efter det, Yu forklarede. "Vi har brug for, at de er stabile og stille."