I ricercatori hanno annunciato un prototipo per un laser nel cuore del primo osservatorio di onde gravitazionali nello spazio, nota come missione LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Il nuovo laser del team soddisfa quasi i severi requisiti delineati per la strumentazione di LISA, rappresenta un passo importante verso la realizzazione dell'ambizioso programma dell'Osservatorio.

"Che sfida motivante è stata realizzare un sistema laser con prestazioni all'avanguardia, in grado di soddisfare i severi requisiti di affidabilità di una missione spaziale, " ha affermato Steve Lecomte con la società di ricerca svizzera CSEM, che presenterà i dettagli delle prestazioni del prototipo al Congresso Laser 2019 della The Optical Society (OSA), tenutasi dal 29 settembre al 3 ottobre a Vienna, Austria.

LISA completerà i rilevatori di onde gravitazionali a terra, come il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) finanziato dalla National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti, dispiegando un sistema di rilevamento delle onde gravitazionali nello spazio. Nel 2016, NSF ha annunciato che LIGO ha effettuato le prime osservazioni dirette di onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio e del tempo che erano state previste da Albert Einstein 100 anni prima nella sua teoria della relatività generale.

Sia gli osservatori LIGO che LISA si affidano ai laser per rilevare le onde gravitazionali. Oltre alla precisione e all'affidabilità richieste per qualsiasi rivelatore di onde gravitazionali, il laser a bordo della missione LISA deve soddisfare criteri aggiuntivi per garantire che sia adatto per un uso a lungo termine nello spazio.

LISA è guidata dall'Agenzia spaziale europea (ESA) in collaborazione con la National Aeronautics and Space Administration (NASA) degli Stati Uniti.

Requisiti rigorosi per misurazioni precise

LISA, previsto per il lancio nei primi anni 2030, consisterà in tre veicoli spaziali disposti in un triangolo di milioni di chilometri di diametro. La navicella trasmetterà i raggi laser avanti e indietro e combinerà i loro segnali per trovare prove di onde gravitazionali.

La moltitudine di componenti all'interno del sistema LISA deve funzionare perfettamente individualmente e insieme affinché la missione abbia successo. Per la sua parte, il laser deve soddisfare standard rigorosi in termini di potenza, lunghezza d'onda, rumore, stabilità, purezza e altri parametri.

I ricercatori hanno sviluppato un laser che soddisfa quasi tutti i requisiti delineati dall'ESA e dalla NASA. Tutti i componenti ottici ed elettronici del sistema laser sono compatibili con l'ambiente spaziale o basati su tecnologie per le quali sono disponibili componenti di livello spaziale.

Il sistema si avvia con un laser seme, il primo laser bloccato ad autoiniezione confezionato da realizzare alla lunghezza d'onda specificata dalla missione di 1064 nanometri. La luce emessa dal laser seed viene iniettata in un amplificatore in fibra drogata con Yb (YDFA) pompato con nucleo, che aumenta la potenza media da 12 a 46 milliwatt. Una frazione della luce amplificata viene quindi diretta verso una cavità di riferimento ottico, che migliora la purezza spettrale e la stabilità del laser di ordini di grandezza.

La parte principale della luce attraversa quindi un modulatore di fase, che aggiunge funzionalità che consentiranno alla missione di confrontare i segnali attraverso i tre veicoli spaziali attraverso un processo noto come interferometria. Finalmente, un secondo YDFA pompato dal nucleo e un YDFA ad ampia area di modalità a doppio rivestimento amplificano il segnale a quasi 3 watt. Componenti aggiuntivi aiutano a stabilizzare la potenza in uscita.

Confermando le prestazioni

Il team ha creato una stazione di prova speciale per valutare il loro sistema laser prototipo. Hanno usato un laser ultra stretto da 1560 nanometri stabilizzato in cavità, un pettine di frequenza ottica, un H-maser attivo e fotorivelatori a bassa deriva stabilizzati in temperatura come riferimenti per misurare la stabilità della frequenza e dell'ampiezza del sistema.

I test hanno dimostrato la conformità alle specifiche LISA su tutta la gamma di frequenze, con eccezioni inferiori a 1 megahertz e superiori a 5 megahertz, nonché un ottimo rispetto per quanto riguarda il rumore. Laddove i test mostrano deviazioni minori dalle specifiche, i ricercatori hanno identificato le cause probabili e proposto soluzioni per mettere a punto il sistema. Queste soluzioni includono alcuni miglioramenti tecnici del laser seme, come aggiungere una porta di derivazione al risonatore per ridurre il rumore ad alta frequenza.

"Anche se una data di lancio poco dopo il 2030 potrebbe sembrare lontana, c'è ancora un notevole sviluppo tecnologico da realizzare. Il team è pronto a contribuire ulteriormente a questa entusiasmante impresa, " disse Lecomte.