AmpliarESA – C.Carreau
Incluso antes de que se observaran las primeras ondas gravitacionales, los planes estaban en su lugar para la generación que seguiría el éxito Detectores LIGO . Se espera que el nuevo hardware opere en el espacio y sentir ondas gravitacionales que tenemos pocas o ninguna posibilidad de detección utilizando observatorios terrestres.
Por supuesto, nadie quiere lanzar un sistema muy costoso en espacio sin alguna garantía de que funcionará. Por lo tanto, la ESA desarrolló una misión pionera que prueba la tecnología. los El último informe de la misión Pathfinder no solo es positivo, sino que también es lo que acabo de resoplar positivo.
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Iluminando el espacio elástico
Las ondas gravitacionales se detectan al detectar cambios muy pequeños en la distancia entre dos espejos, que cambian como gravitacionales la ola pasa, y la estructura misma del espacio-tiempo se estira y contratos Si podemos contar el número de longitudes de onda que se ajustan entre dos espejos, podemos sentir el cambio en la distancia. LIGO(Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser), para ejemplo, utiliza este enfoque para detectar cambios de aproximadamente 10-19 metros entre espejos que están separados por cuatro kilómetros
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Ondas gravitacionales: ir más allá de LIGO
Esa sensibilidad mejoraría si la distancia fuera mayor. Sin embargo, en la Tierra, la distancia que podemos construir en línea recta es limitado. Y, lo que es peor, lo que los científicos realmente quieren es sensibilidad a ondas gravitacionales de baja frecuencia, que requiere largas distancias y un ambiente tranquilo. Nuestro planeta no es Especialmente tranquilo.
En la primera detección de ondas gravitacionales, una fusión entre dos agujeros negros: la señal salió del ruido y alcanzó un pico dentro de aproximadamente medio segundo antes de desaparecer. Sobre ese tiempo las ondas gravitacionales con frecuencias entre 30 y 300Hz fueron detectado Esa frecuencia corresponde al orbital período de los agujeros negros. Entonces, detectamos esta espiral de muerte una vez los agujeros negros estaban orbitando entre sí 30 veces impares por segundo.
Esa espiral previa a la fusión había estado sucediendo por mucho más tiempo que eso, emitiendo ondas gravitacionales con mucha menor frecuencias. Si alguna vez queremos ver esto, tenemos que tener detectores que son sensibles a las ondas que tienen mucho más tiempo longitud de onda. Y eso simplemente no es posible en la Tierra.
Sin embargo, es posible en el espacio, y ahí es donde LISA (láser antena espacial interferómetro) entra. LISA es, como su nombre sugiere, un observatorio de ondas gravitacionales basado en el espacio. Sin embargo, a diferencia de LIGO, que podría construirse y mejorarse gradualmente, LISA Tiene que trabajar la primera vez.
Abriendo camino para LISA
Para maximizar la posibilidad de un espacio funcional basado observatorio de ondas gravitacionales, lanzó la Agencia Espacial Europea el Pathfinder LISA, un satélite diseñado para probar claves tecnologías requeridas para LISA. En particular, LISA requiere medir pequeñas aceleraciones de masas de prueba. Sin embargo, estas masas están sentados en el ambiente ruidoso de una nave espacial, que calienta y se enfría y esporádicamente es golpeado por pequeñas rocas. Uno de los Los objetivos principales de la misión eran ver cuánto ruido había y qué tipo de tecnología requeriría LISA para operar exitosamente.
Hay que decir que los objetivos de la misión pionera fueron comparativamente modesto. LISA debe poder medir aceleraciones como pequeño como tres femtómetros / s2 (un fm es 10-15m) a una frecuencia justo por encima de un milihercio. Se esperaba que Pathfinder no fuera mejor que alrededor 20fm / s2, solo para demostrar que el hardware estaba encendido El camino correcto. Los ingenieros deben haber partido mucho en el noche cuando descubrieron que el pionero ha sido (y aún puede estar) casi en las sensibilidades requeridas para LISA, solo apagado por un factor de dos.
Pero el equipo no había terminado allí. Después de recuperarse de la resaca, los científicos volvieron a sus datos para tratar de entiendo de dónde venía el resto del ruido. En su análisis, descubrieron algo muy extraño: un error sistemático eso agregó ruido pseudoaleatorio. Normalmente, un error sistemático es algo así como un desplazamiento constante: mi instrumento siempre informa 1 m / s2 más aceleración de la que está realmente presente.
Pero resultó que un error de procesamiento entre un análogo la señal y su digitalización, aunque de naturaleza sistemática, generaron Un ruido efectivamente aleatorio en los datos de aceleración. Una vez removido, El ruido mejoró sustancialmente.
Esta mejora no fue la única que apareció. los los investigadores también notaron que la señal se volvía cada vez más limpia con hora. Se encontró que esta mejora constante se debe a la reducción Movimiento browniano.
Limpieza por aspiración
Esto se debe a cómo se configuró el experimento. Una vez el la nave espacial alcanzó la órbita, las masas de prueba se suspendieron en el vacío de espacio dentro del satélite, que los protegió de cambios de temperatura y ser golpeado por el material que pasa. Normalmente, el espacio es el mejor vacío posible y mucho mejor que el mejor Sistemas de vacío basados en la tierra.
Pero el satélite circundante resultó ser un problema. Todas Los materiales volátiles en el cableado y la electrónica, así como El agua adherida a las paredes metálicas se evapora lentamente con el tiempo. Como un resultado, el vacío cerca de las masas es bastante pobre (aproximadamente dos o tres órdenes de magnitud peor que un buen Sistema de vacío basado en la tierra). Estos gases residuales chocan con el masa, acelerándolo en direcciones aleatorias y generando ruido. Este es el movimiento browniano clásico.
Con el tiempo, sin embargo, los elementos volátiles, como el agua, lentamente escapar al espacio A medida que el vacío mejoraba, el ruido inducido por El movimiento browniano disminuyó constantemente.
Los investigadores también pudieron usar conjuntos de datos más largos para mejorar compensar la rotación de la nave espacial. El satélite Pathfinder usa ciertas estrellas para determinar su orientación y rotación, pero eso está limitado por la precisión con la que la óptica puede determinar centro de cada estrella. Mediante el uso de datos adquiridos durante más tiempo períodos, se utilizaron observaciones repetidas de las estrellas para determinar El centro de la estrella con mayor precisión.
El resultado final de todo esto es que el Pathfinder satélite, que se suponía que solo debía realizar un orden de magnitud peor de lo requerido para LISA: en realidad realiza un factor de tres mejor de lo requerido para LISA.
Los ingenieros están probablemente en otra curva en este momento.
�Un satélite flatulento?
Sin embargo, no todo es color de rosa. Los conjuntos de datos más largos para promediar fueron adquirido mediante la eliminación de fallas técnicas. Matemáticamente, las fallas son bastante separado de los datos esperados y puede eliminarse. Pero esto es altamente indeseable, como cualquier onda gravitacional que tenga el mismo la escala de tiempo como una falla, en la actualidad, también se eliminaría.
Para empeorar las cosas, nadie sabe realmente por qué estos problemas técnicos ocurrir. La mejor sugerencia actual es la ebullición de los volátiles. Una idea es que, en lugar de proporcionar un flujo constante de gas, a veces el gas queda atrapado en un bolsillo que de repente brota y pedos en las masas. Un cálculo de la cantidad requerida de gas por falla indica que esto no es irrazonable sugerencia. Sin embargo, los datos también sugieren que a fondo la desgasificación será crítica para LISA.
Esto es, creo, sorprendente. Esperaría que todo el los componentes para el buscador de caminos se desgasificaron lo mejor posible ya. En ese sentido, creo que habrá una búsqueda de nuevos materiales que liberan sus gases volátiles suavemente y silenciosamente.
Mientras tanto, LISA ya ha sido aprobada, y las lecciones aprendidos de Pathfinder probablemente se están incorporando en el diseños finales de satélites LISA. Espero poder finalmente llegar a escuchar la sinfonía astrofísica del universo (preferiblemente sin pedo ruidos)
Physical Review Letters, 2018, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.120.061101 (Acerca de los DOI).
