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


    Ein Femtometer ist 10-15 Meter. Zur Verdeutlichung beträgt der Protonendurchmesser ungefähr 1,7 Femtometer. 10 -14 m / s 2 entspricht einem Millionstel einer Milliardstel Erdbeschleunigung. Und genau diese Genauigkeit, die mindestens fünfmal höher ist als ursprünglich geplant, zeigte der technologische Demonstrator des LISA Pathfinder-Gravitationsfernrohrs.

    Kleine Einführung




    LISA Pathfinder ist ein Gerät zur Überprüfung der Möglichkeit einer sehr genauen Messung des Einflusses der Schwerkraft auf Testmassen - zwei im Weltraum hängende Würfel aus Gold und Platinlegierung. Idealerweise wirkt auf Würfel nur die Krümmung der Raum-Zeit 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 Sonnenwinddruck und andere Störungen aus. Die Position der Würfel wird mit einem speziellen Laserinterferometer sehr genau gemessen. Im Detail wird hier der Aufbau 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 werden bei unterschiedlichen Frequenzen, einige höher, andere niedriger, gravitativ „klingen“. LPF-Anforderungen - berechnete Empfindlichkeitswerte für LISA Patfinder. LISA-Anforderungen - Anforderungen an den zukünftigen LISA-Gravitationsdetektor von drei Sonden. Die Linie ist ein Millionstel einer Milliardstel Erdbeschleunigung.

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



    Innerhalb eines Monats wurde die Sonde abgestimmt, um offensichtliche technische Störungen zu beseitigen, und die Empfindlichkeit wurde sogar 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 abhängig von der Frequenz aus drei Gründen verursacht werden:



    Auf der linken Seite stört bei niedrigen Frequenzen das Design des Geräts selbst. Motoren, Elektronik arbeiten, auch von Sternsensoren, die eigentlich Digitalkameras ohne schwere bewegliche Teile sind, kommt immer noch Rauschen.
    Im mittleren Teil entsteht Rauschen, wenn einzelne Moleküle in Würfel prallen. Trotz der Tatsache, dass der Behälter mit den Würfeln im Vakuum geöffnet ist und der Druck dort fast Null beträgt, hatten einzelne Luftmoleküle noch keine Zeit herauszufliegen und stören die Beobachtungen. 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 beobachten:



    Die gelbe Linie in der Grafik ist der 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 wird in 12 Milliarden Lichtjahren sichtbar sein. Dies ist in der Nähe des Urknalls. Und wenn wir dank des Hubble-Teleskops sehr weit entfernte alte Galaxien sehen können, wird die Gravitationsastronomie es möglich machen, sogar zu der Zeit zu sehen, 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

    Einige interessante Fakten.


    Anfang Juni beantworteten Wissenschaftler des LISA Pathfinder-Projekts Fragen zu Reddit, und in diesen Dialogen erfuhren wir ein paar 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 Störung, die auf der rechten Seite des Diagramms einen Spitzenwert ergibt, ist noch nicht bekannt, aber Wissenschaftler vermuten Störungen durch das Gerät. Mit der Zeit möchten sie Telemetrie mit einer anderen Frequenz erfassen, um die genaue Ursache zu ermitteln und zu beseitigen.

    Die Zukunft


    Trotz des großen Erfolgs des LISA Pathfinder und des Wunsches, dass das Gravitationsteleskop jetzt in die Geheimnisse des Universums blickt, sollten wir nicht vergessen, dass ein vollwertiger Detektor von drei Geräten erst im Jahr 2034 auftauchen sollte und angesichts der ständigen zeitlichen Verschiebung komplexer technischer Projekte höchstwahrscheinlich das später. Trotz des Erfolgs von Schwerkraftinstrumenten 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 verbinden können, um den Abstand 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 auf Reddit

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