Trovare le più grandi collisioni nell’universo richiede tempo, pazienza e laser ultra stabili.

A maggio, gli specialisti della NASA che lavorano con i partner del settore hanno consegnato il primo prototipo laser per la missione Antenna spaziale guidata da interferometro laser dell’Agenzia spaziale europea, o missione LISA. Questo strumento laser unico è progettato per rilevare increspature presenti nei campi gravitazionali causate da fusioni di stelle di neutroni, buchi neri e buchi neri supermassicci nello spazio.

Anthony Yu del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, sta guidando lo sviluppo di trasmettitori laser per LISA.

“Stiamo sviluppando un laser molto potente e stabile per LISA”, ha detto Yu. “Abbiamo attinto dalle lezioni delle missioni precedenti e dalle ultime tecnologie nel packaging della fotonica e nell’ingegneria dell’affidabilità. Ora, per soddisfare i requisiti LISA impegnativi, 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 si affida alla tecnologia laser utilizzata nella missione Gravity Recovery and Climate Experiment, o GRACE, della NASA. “Abbiamo sviluppato una versione più compatta come oscillatore principale”, ha detto Yu. “Le sue dimensioni, peso e consumo energetico sono molto più piccoli 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 porzione del vicino infrarosso dello spettro. “Il nostro laser è circa 400 volte più potente di un tipico puntatore laser che genera circa 5 milliwatt o meno”, ha affermato Yu. “La dimensione di un’unità laser, esclusi i dispositivi elettronici, è circa la metà delle dimensioni di una tipica scatola da scarpe”.

Il Centro svizzero per la microelettronica e la tecnologia (CSEM), con sede a Neuchâtel, in Svizzera, ha confermato la ricezione del laser e inizierà a testarne la stabilità.

LISA consisterà in tre veicoli spaziali che seguono la Terra nella sua orbita intorno al sole e volano in una formazione precisa, con ciascuna di 1,5 milioni di miglia (2,5 milioni di chilometri) di distanza. Ogni navicella punterà costantemente due laser verso i loro pari. Il ricevitore laser dovrebbe essere sensibile a poche centinaia di picot di potenza del segnale, come raggio laser Si sarà diffuso a circa 12 miglia (20 chilometri) nel momento in cui raggiunge il veicolo spaziale bersaglio. Il segnale timecode incorporato nei pacchetti consente a LISA di misurare la minima interferenza in queste trasmissioni.

Increspature nel tessuto dello spaziotempo piccole come un picometro – 50 volte più piccole di un atomo di idrogeno – produrrebbero un cambiamento rilevabile nelle distanze tra i veicoli spaziali. La misurazione di questi cambiamenti darà agli scienziati una misura complessiva di ciò che si è scontrato per produrre queste increspature e un’idea di dove nel cielo guidare altri osservatori alla ricerca di effetti secondari.

Queste fluttuazioni delle onde gravitazionali sono così piccole da essere oscurate da forze esterne come gli effetti della polvere e la pressione delle radiazioni dei raggi solari sulla navicella. Per mitigare ciò, il concetto di controllo della resistenza – dimostrato durante la missione LISA Pathfinder nel 2015 – utilizza blocchi di prova flottanti schermati 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 effettuato la prima registrazione delle onde gravitazionali nel 2015. Da allora, una coppia di osservatori terrestri a Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana, hanno acquisito le fusioni Quaranta.

Le precise misurazioni laser 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, ha affermato Thomas Hammes, scienziato del programma LISA presso la sede della NASA a Washington. .

Il telescopio spaziale Fermi Gamma-Ray della NASA ha catturato le prime osservazioni multiplexer pochi secondi dopo che LIGO ha rilevato due fusioni di stelle di neutroni attraverso onde gravitazionali.

“Con LISA, speriamo che tu possa vedere queste cose evolversi prima che la fusione avvenga effettivamente”, ha detto Hams. “Ci sarà un’indicazione che sta arrivando qualcosa.”

Partnership industriale

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

Avo Photonics ha costruito il laser per l’osservatorio.

“Qui ci sono le sfide delle esigenze di rigidità spaziale, nonché i requisiti per l’allineamento ottico di resistenza a livello di submicron. Guida davvero i chip di progettazione ottica, termica e meccanica”, ha affermato Joseph L. Dallas, presidente di Avo Photonics. “Inoltre, la gamma di linee strette, il basso rumore e la stabilità complessiva necessari per questo compito non hanno precedenti”.

Il pioniere della fotonica Tom Kane ha inventato la tecnologia dell’oscillatore laser singolo che Goddard ha usato per stabilizzare la frequenza della luce laser. “I tuoi laser possono essere molto disordinati”, ha detto Kane. “Possono aggirare la loro frequenza target. È necessario un laser ‘silenzioso’ con esattamente una lunghezza d’onda e un raggio perfetto di 15 cifre decimali di precisione”.

La sua tecnologia dell’oscillatore utilizza circuiti di feedback per mantenere il laser acceso con tale precisione. “La lunghezza d’onda finisce per essere il dominatore di queste incredibili distanze”, ha detto Keane.

L’amplificatore ad alta potenza e basso rumore proveniva da Fibertek.

Fibertek ha anche contribuito a Ice and Earth Elevation Satellite (ICESat) 2 della NASA, Cloud-Aerosol Lidar e Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO), che ha operato laser Ha indicato la Terra per 15 anni.

Yu di Goddard ha affermato che, compreso il tempo per i test a terra e le potenziali estensioni di missione, i laser LISA dovrebbero funzionare senza saltare Hertz per un massimo di 16 anni.

“Una volta lanciati, dovranno operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7 per cinque anni per la missione iniziale, con la possibilità di estendere la missione da sei a sette anni dopo”, ha spiegato Yu. “Vogliamo che siano stabili e calmi”.