Encontrar las colisiones más grandes del universo lleva tiempo, paciencia, y láseres súper estables.

En Mayo, Los especialistas de la NASA que trabajan con socios de la industria entregaron el primer prototipo de láser para la antena espacial de interferómetro láser dirigida por la Agencia Espacial Europea. o LISA, misión. Este instrumento láser único está diseñado para detectar las ondas delatoras en los campos gravitacionales causadas por las fusiones de estrellas de neutrones. agujeros negros, y agujeros negros supermasivos en el espacio.

Anthony Yu en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, lidera el desarrollo de transmisores láser para LISA.

"Estamos desarrollando un láser muy estable y robusto para el observatorio LISA, ", Dijo Yu." Hemos aprovechado las lecciones aprendidas de misiones anteriores y las últimas tecnologías en empaquetado fotónico e ingeniería de confiabilidad. Ahora, para cumplir con los desafiantes requisitos de LISA, La NASA ha desarrollado un sistema que produce un transmisor láser utilizando un láser de baja potencia mejorado por un amplificador de fibra óptica ".

El equipo se basa en la tecnología láser utilizada en el Experimento de Clima y Recuperación de Gravedad de la NASA, o GRACIA, misión. "Desarrollamos una versión más compacta como oscilador maestro, "Dijo Yu." Tiene un tamaño mucho más pequeño, peso, y consumo de energía para permitir un oscilador maestro completamente redundante para requisitos de vida útil de larga duración ".

El prototipo de láser LISA es un láser de 2 vatios que opera en la parte del espectro del infrarrojo cercano. "Nuestro láser es aproximadamente 400 veces más potente que el típico puntero láser que emite unos 5 milivatios o menos, "Yu dijo." El tamaño del módulo láser, sin incluir la electrónica, es aproximadamente la mitad del volumen de una caja de zapatos típica ".

El Centro Suizo de Electrónica y Microtecnología (CSEM), con sede en Neuchâtel, Suiza, confirmó la recepción de los láseres y comenzará a probar su estabilidad.

LISA consistirá en tres naves espaciales siguiendo a la Tierra en su órbita alrededor del Sol y volando en una formación de precisión, con 1,5 millones de millas (2,5 millones de kilómetros) separando cada uno. Cada nave espacial apuntará continuamente dos láseres a sus contrapartes. El receptor láser debe ser sensible a algunos cientos de picowatts de intensidad de señal, ya que el rayo láser se extenderá a unas 12 millas (20 kilómetros) para cuando llegue a su nave espacial objetivo. Una señal de código de tiempo incrustada en los haces permite a LISA medir la menor interferencia en estas transmisiones.

Ondulaciones en la estructura del espacio-tiempo tan pequeñas como un picómetro, 50 veces más pequeñas que un átomo de hidrógeno, producirán un cambio detectable en las distancias entre las naves espaciales. La medición de estos cambios dará a los científicos la escala general de lo que chocó para producir estas ondas y una idea de en qué parte del cielo apuntar a otros observatorios en busca de efectos secundarios.

Estas fluctuaciones de ondas gravitacionales son tan pequeñas que serían oscurecidas por fuerzas externas como los impactos del polvo y la presión de radiación de la luz solar sobre la nave espacial. Para mitigar esto, El concepto de control sin arrastre, demostrado en la misión LISA Pathfinder en 2015, utiliza masas de prueba flotantes protegidas dentro de cada nave espacial como puntos de referencia para la medición.

LISA amplía el trabajo del Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) de la National Science Foundation, que capturó su primer registro de ondas gravitacionales en 2015. Desde entonces, el par de observatorios terrestres en Hanford, Washington, y Livingston, Luisiana, han capturado cuatro docenas de fusiones.

Thomas Hams, científico del programa de LISA en la sede de la NASA en Washington, dijo que las mediciones láser de precisión nos permitirán acercarnos a las firmas de ondas gravitacionales de estas fusiones y permitirán que otros observatorios se enfoquen en la parte correcta del cielo para capturar estos eventos en el espectro electromagnético.

El Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA captó la primera observación de este tipo con múltiples mensajeros segundos después de que LIGO detectara una fusión de dos estrellas de neutrones a través de ondas gravitacionales.

"Con LISA, la esperanza es que pueda ver cómo se desarrollan estas cosas antes de que se produzca la fusión, Hams dijo:"Habrá un indicador de que algo está por venir".

Asociación de la industria

Para lograr la estabilidad requerida, el equipo trajo Fibertek Inc. en Herndon, Virginia, y Avo Photonics Inc. en Horsham, Pensilvania, para desarrollar el láser, oscilador, y amplificador de potencia, y un ingeniero óptico independiente en San José, California.

Avo Photonics construyó el láser para el observatorio.

"Aquí tienes los desafíos de las necesidades de robustez de los vehículos espaciales, además de los requisitos de tolerancia de alineación óptica a nivel submicrónico. Estos realmente empujan su óptica, térmico, y chuletas de diseño mecánico, "El presidente de Avo Photonics, Joseph L. Dallas, dijo". Además, el estrecho ancho de línea, ruido bajo, y la estabilidad general necesaria para esta misión no tiene precedentes ".

El pionero de la fotónica Tom Kane inventó la tecnología de oscilador láser monolítico que Goddard usó para estabilizar la frecuencia de la luz láser. "Su láser promedio puede ser muy complicado, "Dijo Kane." Pueden deambular alrededor de su frecuencia objetivo. Necesita un láser 'silencioso' que tenga exactamente una longitud de onda y un rayo perfecto con una precisión de 15 decimales ".

Su tecnología de oscilador utiliza bucles de retroalimentación para mantener el láser encendido con tal precisión. "La longitud de onda termina convirtiéndose en la regla para estas distancias increíbles, "Dijo Kane.

El de alta potencia El amplificador de bajo ruido vino de Fibertek.

Fibertek también contribuyó al satélite de elevación de la tierra y la nube de hielo de la NASA (ICESat) 2 y al satélite de observación de la nube-aerosol Lidar e infrarrojo Pathfinder (CALIPSO). que ha estado operando un láser apuntado a la Tierra durante 15 años.

Incluido el tiempo para realizar pruebas en el terreno y posibles extensiones de la misión, Los láseres de LISA deben funcionar sin saltarse un hercio durante un máximo de 16 años, Dijo Yu de Goddard.

"Una vez lanzado, Tendrán que estar en funcionamiento las 24 horas del día, los 7 días de la semana durante cinco años para la misión inicial, con una posible extensión de seis a siete años después de eso, "Explicó Yu." Necesitamos que estén estables y tranquilos ".