Sciencemag.cz
Doporučujeme
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.
„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.
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.
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.“
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.“
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/
autor: Dušan Majer
Převzato z Kosmonautix.cz, upraveno
