Großes Lächeln von kleinen Femtometern: LISA Pathfinder hat die Erwartungen übertroffen

Ein Femtometer ist ^10-15 Meter lang. Aus Gründen der Klarheit beträgt der Protonendurchmesser ungefähr 1,7 Femtometer. 10 ^-14 m / s ² - dies ist ein Millionstel einer milliardsten Erdbeschleunigung auf der Erde. Und genau diese Genauigkeit, die mindestens fünfmal höher ist als ursprünglich geplant, zeigte der technologische Demonstrator des LISA Pathfinder-Gravitationsteleskops.

Kleine Einführung

LISA Pathfinder ist ein Gerät zur Überprüfung der Möglichkeit einer sehr genauen Messung des Gravitationseffekts auf Testmassen - zwei im Weltraum hängende Würfel aus Gold und Platinlegierung. Auf Würfel wirkt im Idealfall nur die Krümmung der Raumzeit durch die Schwerkraft. Die Sonde hängt zusammen mit der gesamten Ausrüstung im Weltraum, ohne die Würfel zu berühren, und gleicht die Motoren mit niedrigem Schub durch den Druck des Sonnenwinds und andere Störungen aus. Die Position der Würfel wird mit einem speziellen Laserinterferometer sehr genau gemessen. Im Detail wird hier das Design der Sonde mit Bildern beschrieben .

Pläne und Ergebnisse

Diese Grafik zeigt die Empfindlichkeit gegenüber der Frequenz. Die Analogie zum Klang ist ganz richtig - kollidierende Objekte unterschiedlicher Masse „klingen“ gravitativ mit unterschiedlichen Frequenzen, einige höher, andere niedriger. LPF-Anforderungen - berechnete Empfindlichkeitswerte für LISA Patfinder. LISA-Anforderungen - Anforderungen für den zukünftigen LISA-Gravitationsdetektor von drei Sonden. Die Linie ist ein Millionstel einer Milliardstel Erdbeschleunigung auf der Erde.

Die allererste Aufnahme am 1. März 2016 sorgte bei Wissenschaftlern für ein breites Lächeln - LISA Pathfinder übertraf die berechneten Empfindlichkeitsparameter!



Innerhalb eines Monats wurde die Sonde abgestimmt, wodurch offensichtliche technische Störungen beseitigt wurden, und die Empfindlichkeit wurde noch besser. Bei höheren Frequenzen stellte sich heraus, dass sie höher war als für einen vollwertigen Detektor erforderlich:



Es ist interessant, dass Wissenschaftler und Ingenieure im Laufe der Jahre die Störquellen verstanden haben, und es stellte sich heraus, dass sie je nach Frequenz drei Gründe haben:



Auf der linken Seite stört bei niedrigen Frequenzen das Design des Geräts selbst. Motoren, Elektronik funktionieren, selbst von Sternsensoren, die eigentlich Digitalkameras ohne schwere bewegliche Teile sind, gibt es immer noch Geräusche.
Im mittleren Teil entsteht Rauschen durch einzelne Moleküle, die in Würfel krachen. Trotz der Tatsache, dass der Behälter mit den Würfeln im Vakuum geöffnet ist und der Druck dort nahezu Null beträgt, hatten einzelne Luftmoleküle von der Erde noch keine Zeit, herauszufliegen und die Beobachtungen zu stören. Glücklicherweise gibt es im Laufe der Zeit weniger davon, und in diesem Frequenzbereich erhöht sich die Genauigkeit von selbst:


Die rote Linie ist im Mai empfindlich, sie ist besser als die blaue Linie im April.

Und schließlich erscheint das Rauschen des Interferometers oben - in Wirklichkeit bewegen sich die Würfel nicht, aber das Gerät zeigt aufgrund seines eigenen Rauschens eine Phantombewegung.

Mit dieser Genauigkeit kann der LISA-Detektor Gravitationsereignisse über Milliarden von Lichtjahren hinweg beobachten:



Die gelbe Linie in der Grafik zeigt den Fall eines kleinen Schwarzen Lochs in ein großes Loch in einer Entfernung von 3 Milliarden Lichtjahren. Und die Kollision zweier Galaxien mit Schwarzen Löchern im Zentrum von LISA kann in 12 Milliarden Lichtjahren beobachtet werden. Dies ist in der Nähe des Urknalls. Und wenn wir dank des Hubble-Teleskops sehr weit entfernte alte Galaxien sehen können, können Sie mithilfe der Gravitationsastronomie sogar zu einer Zeit schauen, als das Universum undurchsichtig war (das erste Mal nach dem Urknall war die Materie im Universum so nahe beieinander, dass die Photonen nicht weit weg fliegen konnten). .


Die geschätzte Kollision von Galaxien sollte viel lauter sein als die Empfindlichkeit von LISA

Ein paar interessante Fakten.

Anfang Juni beantworteten Wissenschaftler des LISA Pathfinder-Projekts Fragen zu Reddit, und aus diesen Dialogen lernten wir einige weitere interessante Dinge.

Erstens funktioniert die Hardware des Projekts einwandfrei, der erste Satz von Motoren funktioniert noch (es gibt zwei Sätze auf der Sonde).

Der Sonnenwinddruck bei LISA Patfinder beträgt 28 Mikronewton.

Die Ursache für die Interferenz, die einen Peak auf der rechten Seite des Diagramms ergibt, ist noch nicht bekannt, aber Wissenschaftler vermuten eine Interferenz durch das Gerät. Im Laufe der Zeit möchten sie Telemetrie mit einer anderen Frequenz sammeln, um die genaue Ursache zu ermitteln und zu beseitigen.

Die Zukunft

Vergessen Sie trotz des großen Erfolgs des LISA Pathfinder und des Wunsches, dass das Gravitationsteleskop jetzt in die Geheimnisse des Universums blickt, nicht, dass ein vollwertiger Detektor mit drei Geräten erst 2034 erscheinen sollte, und angesichts der ständigen Verschiebung des Timings komplexer technischer Projekte höchstwahrscheinlich das später. Trotz des Erfolgs von Schwerkraft-Schlaginstrumenten wurden noch nicht alle für LISA erforderlichen Technologien entwickelt. Zum Beispiel wissen wir (die Menschheit) noch nicht, wie wir drei Sonden in einem Abstand von mehreren Millionen Kilometern durch Laserstrahlen miteinander verbinden sollen, um die Entfernung sehr genau zu messen und Daten zu übertragen.

Quellen

Das Material wurde aus folgenden Quellen erstellt:

1. Offizielle Pressemitteilung der ESA
2. Videoaufnahme der Pressekonferenz der Macher von LISA Pathfinder
3. AMA Scientists Project bei Reddit

Source: https://habr.com/ru/post/de395401/