Het vinden van de grootste botsingen in het universum kost tijd, geduld, en superstabiele lasers.

In mei, NASA-specialisten die samenwerken met industriële partners hebben het eerste prototype-laser geleverd voor de door de European Space Agency geleide Laser Interferometer Space Antenna, of LISA, missie. Dit unieke laserinstrument is ontworpen om de veelbetekenende rimpelingen in zwaartekrachtsvelden te detecteren die worden veroorzaakt door het samensmelten van neutronensterren, zwarte gaten, en superzware zwarte gaten in de ruimte.

Anthony Yu bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, leidt de ontwikkeling van laserzenders voor LISA.

"We ontwikkelen een zeer stabiele en robuuste laser voor het LISA-observatorium, "Zei Yu. "We hebben gebruik gemaakt van de lessen die we hebben geleerd van eerdere missies en de nieuwste technologieën op het gebied van fotonicaverpakkingen en betrouwbaarheidstechniek. Nutsvoorzieningen, om te voldoen aan de uitdagende LISA-vereisten, NASA heeft een systeem ontwikkeld dat een laserzender produceert door een laser met laag vermogen te gebruiken die wordt versterkt door een glasvezelversterker."

Het team bouwt voort op de lasertechnologie die wordt gebruikt in NASA's Gravity Recovery and Climate Experiment, of GENADE, missie. "We hebben een compactere versie ontwikkeld als master-oscillator, " zei Yu. "Het is veel kleiner, gewicht, en stroomverbruik om een ​​volledig redundante hoofdoscillator mogelijk te maken voor langdurige levensduurvereisten."

Het LISA-laserprototype is een laser van 2 watt die in het nabij-infrarode deel van het spectrum werkt. "Onze laser is ongeveer 400 keer krachtiger dan de typische laserpointer die ongeveer 5 milliwatt of minder uitstraalt, " zei Yu. "De grootte van de lasermodule, exclusief de elektronica, is ongeveer de helft van het volume van een typische schoenendoos."

Het Zwitserse centrum voor elektronica en microtechnologie (CSEM), hoofdkantoor in Neuchâtel, Zwitserland, de ontvangst van de lasers heeft bevestigd en zal beginnen met het testen op stabiliteit.

LISA zal bestaan ​​uit drie ruimtevaartuigen die de aarde volgen in zijn baan rond de zon en in een precisieformatie vliegen, met 1,5 miljoen mijl (2,5 miljoen kilometer) die elk van elkaar scheiden. Elk ruimtevaartuig zal continu twee lasers op zijn tegenhangers richten. De laserontvanger moet gevoelig zijn voor enkele honderden picowatt signaalsterkte, aangezien de laserstraal zich zal verspreiden tot ongeveer 12 mijl (20 kilometer) tegen de tijd dat het zijn doelruimtevaartuig bereikt. Een tijdcodesignaal dat in de bundels is ingebed, stelt LISA in staat de geringste interferentie in deze uitzendingen te meten.

Rimpelingen in de ruimte-tijd zo klein als een picometer - 50 keer kleiner dan een waterstofatoom - zullen een waarneembare verandering in de afstanden tussen het ruimtevaartuig veroorzaken. Door deze veranderingen te meten, krijgen wetenschappers de algemene schaal van wat er is gebotst om deze rimpelingen te veroorzaken en een idee van waar in de lucht andere observatoria moeten worden gericht op zoek naar secundaire effecten.

Deze schommelingen van de zwaartekracht zijn zo klein dat ze zouden worden verdoezeld door externe krachten zoals stofinslagen en de stralingsdruk van zonlicht op het ruimtevaartuig. Om dit te verzachten, het concept van de controle zonder weerstand - gedemonstreerd tijdens de LISA Pathfinder-missie in 2015 - gebruikt vrij zwevende testmassa's die in elk ruimtevaartuig zijn beschut als referentiepunten voor de meting.

LISA borduurt voort op het werk van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) van de National Science Foundation, die in 2015 voor het eerst zwaartekrachtgolven vastlegde. het paar observatoria op de grond in Hanford, Washington, en Livingston, Louisiana, hebben vier dozijn fusies vastgelegd.

Thomas Hams, programmawetenschapper voor LISA op het NASA-hoofdkwartier in Washington, zei dat de precisielasermetingen ons in staat zullen stellen in te zoomen op de zwaartekrachtsgolfsignaturen van deze fusies en andere observatoria in staat te stellen zich op het rechterdeel van de lucht te concentreren om deze gebeurtenissen in het elektromagnetische spectrum vast te leggen.

NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope nam de eerste dergelijke multimessenger-waarneming op, slechts enkele seconden nadat LIGO een samensmelting van twee neutronensterren door zwaartekrachtsgolven had gedetecteerd.

"Met LISA, de hoop is dat u deze dingen kunt zien ontwikkelen voordat de fusie daadwerkelijk plaatsvindt, "Zei Hams. "Er zal een indicatie zijn dat er iets gaat komen."

Industrieel partnerschap

Om de vereiste stabiliteit te bereiken, het team bracht Fibertek Inc. in Herndon, Virginia, en Avo Photonics Inc. in Horsham, Pennsylvania, om de laser te ontwikkelen, oscillator, en eindversterker, en een onafhankelijke optische ingenieur in San Jose, Californië.

Avo Photonics bouwde de laser voor het observatorium.

"Hier heb je de uitdagingen van robuustheid in de ruimte, bovenop de vereisten voor optische uitlijningstolerantie op submicronniveau. Deze duwen echt je optische, thermisch, en mechanische ontwerpkarbonades, "Avo Photonics President Joseph L. Dallas zei. "Bovendien, de smalle lijnbreedte, laag geluidsniveau, en de algehele stabiliteit die nodig is voor deze missie is ongekend."

Fotonica-pionier Tom Kane vond de monolithische laseroscillatortechnologie uit die Goddard gebruikte om de frequentie van het laserlicht te stabiliseren. "Je gemiddelde laser kan erg rommelig zijn, " Zei Kane. "Ze kunnen rond hun doelfrequentie dwalen. Je hebt een 'stille' laser nodig met precies één golflengte en een perfecte straal tot op 15 decimalen nauwkeurig."

Zijn oscillatortechnologie maakt gebruik van feedbackloops om de laser zo nauwkeurig te laten branden. "De golflengte wordt uiteindelijk de heerser voor deze ongelooflijke afstanden, ' zei Kane.

De krachtige, geluidsarme versterker kwam van Fibertek.

Fibertek heeft ook bijgedragen aan NASA's Ice Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) 2 en de Cloud-Aerosol Lidar en Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO), die al 15 jaar een laser bedient die op de aarde is gericht.

Inclusief tijd voor testen op de grond en mogelijke missie-uitbreidingen, De lasers van LISA moeten tot 16 jaar werken zonder een hertz over te slaan, Goddards Yu zei.

"Eenmaal gelanceerd, ze moeten gedurende vijf jaar 24/7 in bedrijf zijn voor de eerste missie, met een mogelijke zes tot zeven jaar verlengde missie daarna, " legde Yu uit. "We hebben ze nodig om stabiel en stil te zijn."