Grande sorriso de pequenos femtômetros: o LISA Pathfinder superou as expectativas

Um femtômetro é de 10 a ¹⁵ metros. Para maior clareza, o diâmetro do próton é de aproximadamente 1,7 femtômetros. 10 ^-14 m / s ² - este é um milionésimo de bilionésimo de aceleração da gravidade na Terra. E exatamente essa precisão, pelo menos cinco vezes maior do que o planejado originalmente, foi demonstrada pelo demonstrador tecnológico do telescópio gravitacional LISA Pathfinder.

Pequena introdução

O LISA Pathfinder é um dispositivo para verificar a possibilidade de uma medição muito precisa do efeito gravitacional nas massas de teste - dois cubos de ouro e liga de platina pendurados no espaço. Nos cubos, idealmente, apenas a curvatura do espaço-tempo pela gravidade atua. A sonda, juntamente com todo o equipamento, fica no espaço sem tocar nos cubos, compensando os motores de baixo impulso com a pressão do vento solar e outros distúrbios. A posição dos cubos é medida com muita precisão por um interferômetro a laser especial. Em mais detalhes, o design da sonda com imagens é descrito aqui .

Planos e resultados

Este gráfico mostra sensibilidade versus frequência. A analogia com o som é bastante correta - objetos colidindo de diferentes massas gravitacionalmente “soam” em diferentes frequências, algumas mais altas, outras mais baixas. Requisitos de LPF - valores de sensibilidade calculados para o LISA Patfinder. Requisitos LISA - requisitos para o futuro detector gravitacional LISA de três sondas. A linha é um milionésimo de bilionésimo de aceleração da gravidade na Terra.

A primeira inclusão em 1º de março de 2016 causou grandes e amplos sorrisos nos rostos dos cientistas - o LISA Pathfinder excedeu os parâmetros calculados em sensibilidade!



Em um mês, a sonda foi ajustada, removendo a óbvia interferência técnica, e a sensibilidade ficou ainda melhor. Em frequências mais altas, acabou sendo maior do que o necessário para um detector de pleno direito:



É interessante que, ao longo dos anos, cientistas e engenheiros tenham entendido as fontes de interferência, e, dependendo da frequência, são causados ​​por três razões:



no lado esquerdo, em baixas frequências, o design do próprio dispositivo interfere. Motores, aparelhos eletrônicos funcionam, mesmo a partir de sensores estelares, que na verdade são câmeras digitais sem partes móveis pesadas, ainda há ruído.
Na parte do meio, o ruído surge de moléculas individuais colidindo com cubos. Apesar de o recipiente com cubos estar aberto no vácuo e a pressão quase nula, as moléculas individuais de ar da Terra ainda não tiveram tempo de voar e interferir nas observações. Felizmente, com o tempo, há menos deles e, nessa faixa de frequência, a precisão aumenta por si só:


A linha vermelha é sensível em maio, é melhor que a linha azul de abril

e, finalmente, o ruído do interferômetro aparece no topo - na realidade, os cubos não se movem, mas o dispositivo mostra um movimento fantasma devido ao seu próprio ruído.

Com essa precisão, o detector LISA poderá ver eventos gravitacionais ocorrendo ao longo de bilhões de anos-luz:



A linha amarela no gráfico é a queda de um pequeno buraco negro em um grande a uma distância de 3 bilhões de anos-luz. E a colisão de duas galáxias com buracos negros no centro do LISA pode ser vista em 12 bilhões de anos-luz. Isso é próximo ao Big Bang. E se, graças ao telescópio Hubble, pudermos ver galáxias antigas muito distantes, a astronomia gravitacional permitirá espiar mesmo no momento em que o Universo era opaco (a primeira vez após o Big Bang, o assunto no Universo estava tão próximo um do outro que os fótons não podiam voar para longe) .


A colisão estimada de galáxias deve ser muito mais alta que a sensibilidade do LISA

Alguns fatos interessantes.

No início de junho, os cientistas do projeto LISA Pathfinder responderam a perguntas no Reddit e, a partir desses diálogos, aprendemos algumas coisas mais interessantes.

Primeiro, o hardware do projeto funciona perfeitamente, o primeiro conjunto de motores ainda está funcionando (existem dois conjuntos na sonda).

A pressão do vento solar no LISA Patfinder é de 28 micronewtons.

A causa da interferência que produz um pico no lado direito do gráfico ainda não foi estabelecida, mas os cientistas suspeitam de interferência do equipamento. Com o tempo, eles desejam coletar telemetria em uma frequência diferente para estabelecer a causa exata e eliminá-la.

O futuro

Apesar do enorme sucesso do LISA Pathfinder e do desejo de que o telescópio gravitacional investigasse os segredos do Universo agora, não devemos esquecer que um detector completo de três dispositivos deve aparecer apenas em 2034 e, dada a constante mudança no tempo de projetos técnicos complexos, provavelmente isso depois. Apesar do sucesso dos instrumentos de impacto na gravidade, nem todas as tecnologias necessárias para o LISA foram criadas. Por exemplo, nós (humanidade) ainda não sabemos como conectar três sondas a uma distância de vários milhões de quilômetros entre si por raios laser, a fim de medir com muita precisão a distância e transmitir dados.

Fontes

O material foi criado a partir das seguintes fontes:

1. Comunicado de Imprensa Oficial da ESA
2. Gravação de vídeo da conferência de imprensa dos criadores do LISA Pathfinder
3. Projeto Cientistas da AMA no Reddit

Source: https://habr.com/ru/post/pt395401/