NASA-holdet udforsker at bruge LISA Pathfinder som kometkrummedetektor

LISA Pathfinder, en mission ledet af ESA (European Space Agency) med bidrag fra NASA, har med succes demonstreret kritiske teknologier, der er nødvendige for at bygge et rumbaseret observatorium til detektering af krusninger i rumtiden kaldet gravitationsbølger. Nu håber et hold af NASA-forskere at kunne drage fordel af rumfartøjets rekordstore følsomhed til at kortlægge fordelingen af ​​små støvpartikler, der udskilles af asteroider og kometer langt fra Jorden.

De fleste af disse partikler har masser målt i mikrogram, ligner et lille sandkorn. Men med hastigheder over 22, 000 mph (36, 000 km/t), selv mikrometeoroider slår et slag. De nye målinger kan hjælpe med at forfine støvmodeller brugt af forskere i en række undersøgelser, fra at forstå fysikken i planetdannelsen til at estimere påvirkningsrisici for nuværende og fremtidige rumfartøjer.

"Vi har vist, at vi har en ny teknik, og at den virker, " sagde Ira Thorpe, som leder holdet på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Det næste skridt er omhyggeligt at anvende denne teknik på hele vores datasæt og fortolke resultaterne."

Missionens primære mål var at teste, hvor godt rumfartøjet kunne flyve i formation med et identisk par 1,8-tommer (46 millimeter) guld-platin terninger svævende inde i det. Terningerne er testmasser beregnet til at være i frit fald og kun reagere på tyngdekraften.

Rumfartøjet tjener som et skjold til at beskytte testmasserne mod ydre kræfter. Når LISA Pathfinder reagerer på pres fra sollys og mikroskopiske støvpåvirkninger, rumfartøjet kompenserer automatisk ved at skyde små udbrud fra sine micronewton-thrustere for at forhindre, at testmasserne bliver forstyrret.

Forskere kalder denne trækfri flyvning. I de første to måneder af driften i begyndelsen af ​​2016, LISA Pathfinder demonstrerede processen med en præcision omkring fem gange bedre end dens missionskrav, hvilket gør det til det mest følsomme instrument til at måle acceleration, der endnu er fløjet. Det har nu nået det følsomhedsniveau, der er nødvendigt for at bygge et komplet gravitationsbølgeobservatorium med flere rumfartøjer.

"Hver gang mikroskopisk støv rammer LISA Pathfinder, dens thrustere annullerer den lille mængde momentum, der overføres til rumfartøjet, " sagde Goddard-medforsker Diego Janches. "Vi kan vende det om og bruge thruster-affyringerne til at lære mere om de partikler, der påvirker det. Et holds støj bliver et andet holds data."

Meget af det, vi ved om interplanetarisk støv, er begrænset til Jordens nabolag, i høj grad takket være NASA's Long Duration Exposure Facility (LDEF). Opsendt i kredsløb om Jorden af ​​rumfærgen Challenger i april 1984 og hentet af rumfærgen Columbia i januar 1990, LDEF var vært for snesevis af eksperimenter, hvoraf mange er designet til bedre at forstå meteoroid- og orbitalaffaldsmiljøet.

De forskellige sammensætninger, baner og historier om forskellige asteroider og kometer producerer naturligt støv med en række masser og hastigheder. Forskere formoder, at de mindste og langsomste partikler er forstærket i Jordens nabolag, så LDEF-resultaterne er ikke repræsentative for det bredere solsystem.

"Lille, langsomme partikler nær en planet er mest modtagelige for planetens tyngdekraft, som vi kalder gravitationsfokusering, " sagde Janches. Dette betyder, at mikrometeoroidfluxen nær Jorden burde være meget højere end den, LISA Pathfinder oplevede, ligger omkring 930, 000 miles (1,5 millioner kilometer) tættere på solen.

For at finde virkningerne, Tyson Littenberg ved NASAs Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, tilpassede en algoritme, han oprindeligt udviklede til at søge efter gravitationsbølger i data fra de jordbaserede detektorer fra Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), beliggende i Livingston, Louisiana, og Hanford, Washington. Faktisk, det var en af ​​mange algoritmer, der spillede en rolle i opdagelsen af ​​gravitationsbølger af LIGO, annonceret i februar 2016.

"Måden det fungerer på er, at vi kommer med et bud på, hvordan signalet kan se ud, så undersøg, hvordan LIGO eller LISA Pathfinder ville reagere, hvis dette gæt var sandt, Littenberg forklarede. "For LIGO, vi gætter på bølgeformen, gravitationsbølgens toppe og dale. For LISA Pathfinder, vi gætter på en effekt."

For at kortlægge sandsynligheden for sandsynlige kilder, holdet genererer millioner af forskellige scenarier, der beskriver, hvad kilden kan være, og sammenligner dem med, hvad rumfartøjet faktisk opdager.

Som svar på en påvirkning, LISA Pathfinder affyrer sine thrustere for at modvirke både minut-"skub" fra angrebet og enhver ændring i rumfartøjets spin. Sammen, disse mængder giver forskerne mulighed for at bestemme nedslagets placering på rumfartøjet og rekonstruere mikrometeoroidens oprindelige bane. Dette kan give holdet mulighed for at identificere individuelle affaldsstrømme og måske relatere dem til kendte asteroider og kometer.

"Dette er et rigtig godt samarbejde, sagde Paul McNamara, LISA Pathfinder-projektforsker ved ESA's Videnskabsdirektorat i Noordwijk, Holland. "Dette er data, vi bruger til at udføre vores videnskabelige målinger, og som en udløber af det, Ira og hans team kan fortælle os om mikropartikler, der rammer rumfartøjet."

Dens fjerne beliggenhed, følsomhed over for partikler med lav masse, og evnen til at måle størrelsen og retningen af ​​påvirkende partikler gør LISA Pathfinder til et unikt instrument til at studere populationen af ​​mikrometeoroider i det indre solsystem. Men det er kun begyndelsen.

"Dette er et proof of concept, men vi håber at gentage denne teknik med et komplet gravitationsbølgeobservatorium, som ESA og NASA i øjeblikket studerer for fremtiden, " sagde Thorpe. "Med flere rumfartøjer i forskellige baner og en meget længere observationstid, kvaliteten af ​​dataene burde virkelig forbedres."

LISA Pathfinder administreres af ESA og inkluderer bidrag fra NASA Goddard og NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien. Missionen iværksat den 3. december, 2015, og begyndte at kredse om et punkt kaldet Jord-sol L1, omkring 930, 000 miles (1,5 millioner km) fra Jorden i solens retning, sidst i januar 2016.

LISA står for Laser Interferometer Space Antenna, et rumbaseret gravitationsbølgeobservatoriekoncept, der er blevet studeret meget detaljeret af både NASA og ESA. Det er et koncept, der undersøges for den tredje store mission i ESA's Cosmic Vision Plan, som søger at lancere et gravitationsbølgeobservatorium i 2034.