Il banco ottico AEI Hannover per il test della tecnologia LISA prima che fosse integrato nella camera del vuoto. I tre laser vengono trasmessi tramite fibre ottiche. Credito:D. Penkert/Max Planck Institute for Gravitational Physics
Per la prima volta, è stato possibile testare la tecnologia di misurazione laser per LISA in laboratori quasi in condizioni di missione. Un team di ricercatori guidato dal Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) e dall'Institute for Gravitational Physics della Leibniz Universität di Hannover, Germania, raggiunto la svolta con un nuovo esperimento. Il lavoro si collega alla missione LISA Pathfinder, che ha testato le tecnologie LISA nello spazio dal 2015 al 2017. LISA è un osservatorio pianificato nello spazio che rileverà le onde gravitazionali inaccessibili sulla Terra. Un consorzio di scienziati internazionali sta attualmente sviluppando LISA come missione dell'Agenzia spaziale europea (ESA). Con il loro esperimento, gli scienziati dell'AEI dimostrano la funzionalità del fasemetro LISA, che sarà l'unità di misura centrale dell'osservatorio. Il loro esperimento può anche essere facilmente esteso per ulteriori test e può quindi verificare altre fasi dell'osservatorio di misure LISA.
"Tutti i componenti del pianificato osservatorio spaziale LISA devono soddisfare rigorosi requisiti di precisione per misurare le onde gravitazionali, "dice il dottor Thomas Schwarze, autore principale dell'articolo pubblicato oggi sulla rinomata rivista Lettere di revisione fisica . "Creare le condizioni in un laboratorio in cui si possa verificare l'enorme precisione per LISA richiede grande cura. Per la prima volta, possiamo testare una parte importante della tecnologia LISA in condizioni di missione quasi realistiche nei nostri laboratori e dimostrare che funziona come previsto."
LISA – un osservatorio di onde gravitazionali nello spazio
LISA dovrebbe essere lanciato nello spazio nel 2034 come missione dell'Agenzia spaziale europea (ESA). La missione consisterà in tre satelliti che creeranno un triangolo laser equilatero con ciascun lato lungo circa 2,5 milioni di chilometri. Le distanze di questo volo di formazione nello spazio sono cambiate di un trilionesimo di metro dalle onde gravitazionali.
Per rilevare questi piccoli cambiamenti, strumenti (fasemetri) nei satelliti LISA monitorano e misurano la luce laser scambiata tra loro. Questa misurazione deve essere eseguita con la massima precisione - come un microfono estremamente accurato con basso rumore e bassa distorsione - su un'ampia gamma da 8 a 10 ordini di grandezza.
Testare le misurazioni LISA in un laboratorio
Nel loro articolo, i ricercatori descrivono una nuova configurazione sperimentale che, per la prima volta, consente misurazioni LISA basate su laser in un laboratorio in condizioni di missione quasi realistiche e lo utilizza per verificare l'accuratezza del misuratore di fase.
L'allestimento è costituito da un banco ottico che, grazie alla sua particolare costruzione, è altamente preciso e stabile e quindi elimina tutte le sorgenti di rumore indesiderate dieci volte meglio degli esperimenti precedenti. In questo modo è possibile ottenere la precisione LISA richiesta nell'ordine del trilionesimo di metro.
La missione LISA proposta rileverà le onde gravitazionali nello spazio utilizzando un trio di satelliti, separati da milioni di chilometri. I laser saranno impiegati per misurare i minimi cambiamenti nella loro distanza relativa indotti dall'impatto delle onde gravitazionali. Credito:AEI/MM/exozet; Simulazione GW:NASA/C. Henze
Sul banco ottico, tre raggi laser prodotti in modo controllato vengono sovrapposti a coppie per ottenere sei nuovi raggi laser con proprietà definite con precisione. Sovrapponendo abilmente tre di questi fasci misti e misurandone le proprietà con il fasatore, la sua funzione può essere verificata con precisione.
Test di successo in condizioni di missione quasi realistiche
Il misuratore di fase testato con la configurazione soddisfa i requisiti della missione quasi per l'intero intervallo di misurazione di LISA. Questo test di successo è il primo in condizioni quasi realistiche. Dimostra che con il nuovo setup e con piccole modifiche, ulteriori componenti centrali della missione LISA possono essere testati in condizioni ancora più realistiche.
"È fondamentale comprendere con precisione tutti i dettagli della missione LISA e testarli in anticipo in laboratorio, " spiega il prof. Gerhard Heinzel, capo del gruppo di ricerca per l'interferometria spaziale presso l'AEI Hannover. "Solo in questo modo possiamo essere sicuri che la complessa missione funzionerà come previsto. Una volta che i satelliti saranno in orbita intorno al Sole, non possiamo più modificare l'hardware."
La futura astronomia delle onde gravitazionali con LISA
LISA misurerà onde gravitazionali a bassa frequenza con periodi di oscillazione da 10 secondi a più di mezza giornata, che non può essere osservato con i rilevatori sulla Terra. Tali onde gravitazionali vengono emesse, Per esempio, da buchi neri supermassicci, milioni di volte più pesante del nostro Sole, che si fondono al centro delle galassie, i movimenti orbitali di decine di migliaia di stelle binarie nella nostra Galassia, e forse da fonti esotiche come le stringhe cosmiche e l'eco del Big Bang.
Tra dicembre 2015 e luglio 2017, la missione LISA Pathfinder ha dimostrato altri componenti LISA nello spazio e ha dimostrato che superavano i requisiti in tutta la banda di misurazione LISA.
L'ESA sta attualmente conducendo lo studio del sistema di Fase A con il consorzio internazionale LISA. Un progetto preliminare delle componenti spaziali deve essere sviluppato in preparazione della missione.
