LISA Pathfinder – misja prowadzona przez Europejską Agencję Kosmiczną przy współudziale NASA, z powodzeniem przetestowała kluczową technologię niezbędną do zbudowania kosmicznego obserwatorium, którego zadaniem będzie wykrywanie fal grawitacyjnych. Te niewielkie fałdy w czasoprzestrzeni przewidziane przez Alberta Einsteina sto lat temu, zostały po raz pierwszy w historii zarejestrowane w ubiegłym roku w obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).
Źródła szumu sejsmicznego, termicznego i innych ograniczają możliwości LIGO do wykrywania fal grawitacyjnych o wysokiej frekwencji (ok. 100 cykli na sekundę, 100 Hz). Jednak odkrycie sygnałów pochodzących od bardziej egzotycznych wydarzeń, takich jak łączenie się supermasywnych czarnych dziur w zderzających się galaktykach, wymaga zdolności detekcji częstotliwości rzędu 1 Hz lub mniej – a to już jest poziom czułości możliwy do osiągnięcia tylko w przestrzeni kosmicznej.
Zadaniem obserwatorium kosmicznego byłoby śledzenie położenia mas testowych poruszających się tylko pod wpływem grawitacji. Każda sonda spokojnie poruszałaby się wokół swoich mas testowych, nie wpływając na nie w żaden sposób. Głównym celem misji LISA Pathfinder było przetestowanie obecnych technologii poprzez uwolnienie pary identycznych kostek o boku 46 mm, wykonanych ze stopu złota i platyny i analizowanie ich lotu. Materiał do wykonania kostek został wybrany ze względu na swoją gęstość i brak czułości na pola magnetyczne.
Naukowcy poinformowali właśnie, że wyniki tej misji są wprost zachwycające. Oddziaływania niegrawitacyjne działające na kostki zostały zredukowane do poziomów znacznie przekraczających oryginalne wymagania projektu i osiągają poziom kontroli niezbędny w przypadku docelowego obserwatorium.
„Pomiary przekroczyły nasze najbardziej optymistyczne oczekiwania,” mówi Paul McNamara, naukowiec projektu LISA Pathfinder z Dyrektoratu Naukowego ESA w Noordwijk w Holandii. „Już pierwszego dnia osiągnęliśmy poziom precyzji planowany dla misji LISA Pathfinder. W toku kolejnych tygodni udało nam się poprawić te wyniki o czynnik pięć.”
Wyniki badań zostały opublikowane 7 czerwca w periodyku Physical Review Letters.
„LISA Pathfinder zawsze uważana była za krok na drodze do uzyskania precyzji wymaganej w przypadku pełnowymiarowego obserwatorium fal grawitacyjnych, jednak uzyskane wyniki wskazują, że osiągnęliśmy niemal docelową precyzję. Pełnowymiarowe obserwatorium, które osiągnęłoby poziom precyzji demonstrowany przez LISA Pathfinder pozwoliłoby na osiągnięcie praktycznie wszystkich planowanych celów naukowych,” mówi Ira Thorpe, członek zespołi z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland.
Masy testowe umieszczone zostały w sondzie eksperymentalnej zwanej LISA Technology Package (LTP), zbudowanej przez konsorcjum europejskich agencji kosmicznych i ESA. LTP wykorzystuje precyzyjny interferometr laserowy do określania położenia mas testowych, a następnie zebrane dane przesyła do systemu kontroli położenia sondy, który z kolei wysyła odpowiednie polecenia do mikrosilników sondy, które kontrolują jej położenie. Dzięki temu sonda przemieszcza się w formacji ze swoimi masami testowymi izolując je od sił zewnętrznych. Wyniki wskazują, że sonda LISA Pathfinder była w stanie zredukować oddziaływanie sił niegrawitacyjnych do poziomu około 10 000 razy niższego niż w poprzednich misjach naukowych.
Na częstotliwościach w zakresie 1-60 mHz na kontrolę mas testowych wpływa niewielka liczba cząsteczek gazu odbijających się od kostek. Efekt ten został z czasem zminimalizowany ponieważ cząsteczki uciekły w przestrzeń kosmiczną. Oczekuje się, że ten szum będzie ulegał minimalizacji w nadchodzących miesiącach.
Poniżej 1 mHz naukowcy wykryli niewielką siłę odśrodkową działającą na masy testowe. Jest ona efektem kształtu orbity sondy i szumu, którego źródłem są urządzenia śledzące gwiazdy w celu utrzymania odpowiedniej orientacji sondy LISA Pathfinder. Jednak ten komponent zostanie znacznie zminimalizowany w pełnowymiarowym obserwatorium, gdzie każda z sond będzie posiadała własne masy testowe i będzie połączona laserowo z pozostałymi sondami znajdującymi się miliony kilometrów dalej.
Nawet promienie kosmiczne przenikające przez sondę mogą wpływać na wyniki poprzez przekazywanie masom testowym ładunku elektrycznego. Gdyby nie uwzględniono tego efektu, zbierający się ładunek spowodowałby powstanie siły, która mogłaby zakłócić pomiary. W ramach misji LISA Pathfinder testowany jest system nigdy wcześniej nie wykorzystywany w przestrzeni kosmicznej, gdzie kostki oświetlane są światłem ultrafioletowym w celu usunięcia ładunku bez kontaktu z nimi.
„Te rewelacyjne wyniki wskazują, że LISA Pathfinder z powodzeniem zademonstrowała zaawansowane technologie niezbędne w przyszłym kosmicznym obserwatorium fal grawitacyjnych,” mówi Paul Hertz, dyrektor Działu Astrofizyki NASA w Waszyngtonie. „ESA aktualnie planuje budowę takiego obserwatorium na lata trzydzieste.”
LISA Pathfinder została wyniesiona w przestrzeń kosmiczną 3 grudnia 2015 roku i rozpoczęła krążenie wokół punktu L1, oddalonego o 1.5 mln km od Ziemi w kierunku Słońca, pod koniec stycznia 2016 roku.
Źródło: NASA