Encontrar as maiores colisões do universo leva tempo, paciência, e lasers superestáveis.

Em maio, Os especialistas da NASA trabalhando com parceiros da indústria entregaram o primeiro protótipo de laser para a Antena Espacial de Interferômetro de Laser liderada pela Agência Espacial Europeia, ou LISA, missão. Este instrumento a laser exclusivo é projetado para detectar as ondulações reveladoras em campos gravitacionais causadas pela fusão de estrelas de nêutrons, buracos negros, e buracos negros supermassivos no espaço.

Anthony Yu no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, lidera o desenvolvimento de transmissores de laser para LISA.

"Estamos desenvolvendo um laser altamente estável e robusto para o observatório LISA, "Yu disse." Aproveitamos as lições aprendidas em missões anteriores e as tecnologias mais recentes em embalagem fotônica e engenharia de confiabilidade. Agora, para atender aos desafiadores requisitos LISA, A NASA desenvolveu um sistema que produz um transmissor de laser usando um laser de baixa potência aprimorado por um amplificador de fibra óptica. "

A equipe está desenvolvendo a tecnologia de laser usada no Experimento de Recuperação de Gravidade e Clima da NASA, ou GRACE, missão. “Desenvolvemos uma versão mais compacta como oscilador mestre, "Yu disse." Tem um tamanho muito menor, peso, e consumo de energia para permitir um oscilador mestre totalmente redundante para requisitos de vida útil de longa duração. "

O protótipo do laser LISA é um laser de 2 watts operando na parte do infravermelho próximo do espectro. "Nosso laser é cerca de 400 vezes mais poderoso do que o ponteiro laser típico, que produz cerca de 5 miliwatts ou menos, "Yu disse." O tamanho do módulo de laser, não incluindo os eletrônicos, é cerca de metade do volume de uma caixa de sapato típica. "

O Centro Suíço de Eletrônica e Microtecnologia (CSEM), com sede em Neuchâtel, Suíça, confirmou o recebimento dos lasers e começará a testá-los quanto à estabilidade.

O LISA consistirá em três espaçonaves seguindo a Terra em sua órbita ao redor do Sol e voando em uma formação de precisão, com 1,5 milhões de milhas (2,5 milhões de quilômetros) separando cada um. Cada espaçonave apontará continuamente dois lasers para suas contrapartes. O receptor de laser deve ser sensível a algumas centenas de picowatts de intensidade de sinal, já que o feixe de laser se espalhará por cerca de 12 milhas (20 quilômetros) no momento em que atingir sua espaçonave alvo. Um sinal de código de tempo embutido nos feixes permite que o LISA meça a menor interferência nessas transmissões.

Ondulações na estrutura do espaço-tempo tão pequenas quanto um picômetro - 50 vezes menores que um átomo de hidrogênio - produzirão uma mudança detectável nas distâncias entre as espaçonaves. Medir essas mudanças dará aos cientistas a escala geral do que colidiu para produzir essas ondulações e uma ideia de onde no céu apontar outros observatórios em busca de efeitos secundários.

Essas flutuações das ondas gravitacionais são tão pequenas que seriam obscurecidas por forças externas, como impactos de poeira e a pressão de radiação da luz solar na espaçonave. Para atenuar isso, o conceito de controle sem arrasto - demonstrado na missão LISA Pathfinder em 2015 - usa massas de teste de flutuação livre protegidas dentro de cada espaçonave como pontos de referência para a medição.

LISA expande o trabalho do Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro de Laser da National Science Foundation (LIGO), que capturou seu primeiro registro de ondas gravitacionais em 2015. Desde então, o par de observatórios terrestres em Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana, capturaram quatro dezenas de fusões.

Thomas Hams, cientista do programa LISA na sede da NASA em Washington, disse que as medições de laser de precisão nos permitirão ampliar as assinaturas das ondas gravitacionais dessas fusões e permitir que outros observatórios se concentrem na parte direita do céu para capturar esses eventos no espectro eletromagnético.

O Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA captou a primeira observação multimensageira segundos depois que o LIGO detectou a fusão de duas estrelas de nêutrons por meio de ondas gravitacionais.

"Com LISA, a esperança é que você consiga ver essas coisas se desenvolverem antes que a fusão realmente aconteça, "Hams disse." Haverá um indicador de que algo está vindo. "

Parceria da Indústria

Para alcançar a estabilidade necessária, a equipe trouxe a Fibertek Inc. em Herndon, Virgínia, e Avo Photonics Inc. em Horsham, Pensilvânia, para desenvolver o laser, oscilador, e amplificador de potência, e um engenheiro ótico independente em San Jose, Califórnia.

A Avo Photonics construiu o laser para o observatório.

"Aqui você tem os desafios das necessidades de robustez do espaço espacial, além dos requisitos de tolerância de alinhamento óptico de nível submicron. Isso realmente aumenta sua ótica, térmico, e costeletas de design mecânico, "Disse o presidente da Avo Photonics Joseph L. Dallas." Além disso, a largura de linha estreita, barulho baixo, e a estabilidade geral necessária para esta missão é sem precedentes. "

O pioneiro da fotônica, Tom Kane, inventou a tecnologia de oscilador de laser monolítico que Goddard usou para estabilizar a frequência da luz do laser. "Seu laser comum pode ser muito confuso, "Kane disse." Eles podem vagar em torno de sua frequência alvo. Você precisa de um laser 'silencioso' com exatamente um comprimento de onda e um feixe perfeito com 15 casas decimais de precisão. "

Sua tecnologia de oscilador usa loops de feedback para manter o laser queimando com tal precisão. "O comprimento de onda acaba se tornando a regra para essas distâncias incríveis, "Kane disse.

O alto poder, amplificador de baixo ruído veio da Fibertek.

A Fibertek também contribuiu para a Nuvem de Gelo e Satélite de Elevação Terrestre (ICESat) 2 da NASA e para a Observação por Satélite Cloud-Aerosol Lidar e Infrared Pathfinder (CALIPSO), que opera um laser apontado para a Terra há 15 anos.

Incluindo tempo para testes no solo e extensões de missão em potencial, Os lasers da LISA devem operar sem pular um hertz por até 16 anos, Disse Yu de Goddard.

"Uma vez lançado, eles precisarão estar em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, durante cinco anos para a missão inicial, com uma possível missão estendida de seis a sete anos depois disso, "Yu explicou." Precisamos que eles fiquem estáveis ​​e quietos. "