Trovare le più grandi collisioni nell'universo richiede tempo, pazienza, e laser super stabili.

A maggio, Gli specialisti della NASA che lavorano con i partner del settore hanno consegnato il primo prototipo di laser per l'antenna spaziale interferometrica laser guidata dall'Agenzia spaziale europea, o LISA, missione. Questo strumento laser unico è progettato per rilevare le increspature rivelatrici nei campi gravitazionali causate dalla fusione di stelle di neutroni, buchi neri, e buchi neri supermassicci nello spazio.

Anthony Yu al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, guida lo sviluppo del trasmettitore laser per LISA.

"Stiamo sviluppando un laser altamente stabile e robusto per l'osservatorio LISA, " Yu ha detto. "Abbiamo sfruttato le lezioni apprese dalle missioni precedenti e le ultime tecnologie nel packaging della fotonica e nell'ingegneria dell'affidabilità. Ora, per soddisfare gli impegnativi requisiti LISA, La NASA ha sviluppato un sistema che produce un trasmettitore laser utilizzando un laser a bassa potenza potenziato da un amplificatore in fibra ottica".

Il team sta basandosi sulla tecnologia laser utilizzata nel Gravity Recovery and Climate Experiment della NASA, o GRAZIA, missione. "Abbiamo sviluppato una versione più compatta come oscillatore principale, " Yu ha detto. "Ha dimensioni molto più piccole, il peso, e consumo energetico per consentire un oscillatore master completamente ridondante per requisiti di lunga durata."

Il prototipo del laser LISA è un laser da 2 watt che opera nella parte del vicino infrarosso dello spettro. "Il nostro laser è circa 400 volte più potente del tipico puntatore laser che emette circa 5 milliwatt o meno, " Yu ha detto. "La dimensione del modulo laser, esclusa l'elettronica, è circa la metà del volume di una tipica scatola da scarpe."

Il Centro Svizzero per l'Elettronica e la Microtecnologia (CSEM), con sede a Neuchâtel, Svizzera, ha confermato la ricezione dei laser e inizierà a testarli per la stabilità.

LISA consisterà in tre veicoli spaziali che seguono la Terra nella sua orbita attorno al Sole e volano in formazione di precisione, con 1,5 milioni di miglia (2,5 milioni di chilometri) che separano ciascuno. Ogni veicolo spaziale punterà continuamente due laser verso le sue controparti. Il ricevitore laser deve essere sensibile a poche centinaia di picowatt di potenza del segnale, poiché il raggio laser si diffonderà a circa 12 miglia (20 chilometri) nel momento in cui raggiunge il suo veicolo spaziale bersaglio. Un segnale timecode incorporato nei raggi consente a LISA di misurare la minima interferenza in queste trasmissioni.

Increspature nel tessuto dello spazio-tempo piccole come un picometro, 50 volte più piccole di un atomo di idrogeno, produrranno un cambiamento rilevabile nelle distanze tra il veicolo spaziale. La misurazione di questi cambiamenti darà agli scienziati la scala generale di ciò che si è scontrato per produrre queste increspature e un'idea di dove nel cielo puntare altri osservatori alla ricerca di effetti secondari.

Queste fluttuazioni delle onde gravitazionali sono così piccole che sarebbero oscurate da forze esterne come impatti di polvere e pressione di radiazione della luce solare sul veicolo spaziale. Per mitigare questo, il concetto di controllo senza trascinamento, dimostrato durante la missione LISA Pathfinder nel 2015, utilizza masse di prova fluttuanti riparate all'interno di ciascun veicolo spaziale come punti di riferimento per la misurazione.

LISA amplia il lavoro del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) della National Science Foundation. che ha catturato la sua prima registrazione di onde gravitazionali nel 2015. Da allora, la coppia di osservatori terrestri di Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana, hanno catturato quattro dozzine di fusioni.

Thomas Hams, scienziato del programma per LISA presso la sede della NASA a Washington, ha affermato che le misurazioni laser di precisione ci consentiranno di ingrandire le firme delle onde gravitazionali di queste fusioni e consentiranno ad altri osservatori di concentrarsi sulla parte destra del cielo per catturare questi eventi nello spettro elettromagnetico.

Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA ha raccolto la prima osservazione multimessaggero di questo tipo pochi secondi dopo che LIGO ha rilevato una fusione di due stelle di neutroni attraverso le onde gravitazionali.

"Con LISA, la speranza è che sarai in grado di vedere queste cose svilupparsi prima che la fusione avvenga effettivamente, "Ha detto Hams. "Ci sarà un indicatore che qualcosa sta arrivando."

Partnership industriale

Per ottenere la stabilità richiesta, il team ha portato Fibertek Inc. a Herndon, Virginia, e Avo Photonics Inc. a Horsham, Pennsylvania, per sviluppare il laser, oscillatore, e amplificatore di potenza, e un ingegnere ottico indipendente a San Jose, California.

Avo Photonics ha costruito il laser per l'osservatorio.

"Qui hai le sfide delle esigenze di robustezza spaziale, oltre ai requisiti di tolleranza di allineamento ottico di livello inferiore al micron. Questi spingono davvero la tua ottica, termico, e tagli di progettazione meccanica, " Il presidente di Avo Photonics Joseph L. Dallas ha dichiarato. "Inoltre, la larghezza di linea stretta, rumore basso, e la stabilità complessiva necessaria per questa missione non ha precedenti".

Il pioniere della fotonica Tom Kane ha inventato la tecnologia dell'oscillatore laser monolitico che Goddard ha usato per stabilizzare la frequenza della luce laser. "Il tuo laser medio può essere molto disordinato, " Ha detto Kane. "Possono vagare tutto intorno alla loro frequenza di destinazione. Hai bisogno di un laser "silenzioso" che abbia esattamente una lunghezza d'onda e un raggio perfetto con una precisione di 15 decimali."

La sua tecnologia dell'oscillatore utilizza circuiti di feedback per mantenere la combustione del laser a tale precisione. "La lunghezza d'onda finisce per diventare la dominatrice di queste incredibili distanze, " ha detto Kane.

L'alta potenza, l'amplificatore a basso rumore proveniva da Fibertek.

Fibertek ha anche contribuito all'Ice Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) 2 della NASA e al Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO), che opera da 15 anni con un laser puntato sulla Terra.

Compreso il tempo per i test sul campo e potenziali estensioni di missione, I laser di LISA devono funzionare senza saltare un hertz fino a 16 anni, Yu di Goddard ha detto.

"Una volta lanciato, dovranno essere operativi 24 ore su 24, 7 giorni su 7 per cinque anni per la missione iniziale, con un possibile da sei a sette anni di missione estesa dopo di che, "Spiegò Yu. "Abbiamo bisogno che siano stabili e silenziosi."