Os pesquisadores anunciaram um protótipo de laser no coração do primeiro observatório de ondas gravitacionais baseado no espaço, conhecida como missão Laser Interferometer Space Antenna (LISA). O novo laser da equipe quase atende aos rigorosos requisitos descritos para a instrumentação da LISA, representando um passo importante para a concretização do ambicioso programa de observatórios.

"Que desafio motivador foi realizar um sistema de laser com performances de última geração, capaz de atender aos rigorosos requisitos de confiabilidade de uma missão espacial, "disse Steve Lecomte da empresa de pesquisa suíça CSEM, que apresentará detalhes do desempenho do protótipo no Congresso de Laser 2019 da The Optical Society (OSA), realizada de 29 de setembro a 3 de outubro em Viena, Áustria.

O LISA complementará os detectores de ondas gravitacionais baseados no solo, como o Observatório de ondas gravitacionais (LIGO) do interferômetro de laser financiado pela National Science Foundation (NSF), implantando um sistema de detecção de ondas gravitacionais no espaço. Em 2016, A NSF anunciou que o LIGO fez as primeiras observações diretas de ondas gravitacionais, ondulações na estrutura do espaço e do tempo que foram previstas por Albert Einstein 100 anos antes em sua teoria geral da relatividade.

Ambos os observatórios LIGO e LISA dependem de lasers para detectar ondas gravitacionais. Além da precisão e confiabilidade exigidas para qualquer detector de ondas gravitacionais, o laser a bordo da missão LISA deve atender a critérios adicionais para garantir que seja adequado para uso de longo prazo no espaço.

A LISA é liderada pela Agência Espacial Européia (ESA) em colaboração com a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço dos Estados Unidos (NASA).

Requisitos exatos para medições precisas

LISA, programado para lançamento no início de 2030, consistirá em três espaçonaves dispostas em um triângulo de milhões de quilômetros de diâmetro. A espaçonave retransmitirá feixes de laser para frente e para trás e combinará seus sinais para encontrar evidências de ondas gravitacionais.

A multiplicidade de componentes dentro do sistema LISA deve funcionar perfeitamente individualmente e em conjunto para que a missão seja bem-sucedida. Por sua vez, o laser deve atender aos padrões exigentes em termos de potência de saída, Comprimento de onda, barulho, estabilidade, pureza e outros parâmetros.

Os pesquisadores desenvolveram um laser que atende quase todos os requisitos descritos pela ESA e NASA. Todos os componentes ópticos e eletrônicos do sistema a laser são compatíveis com o ambiente espacial ou baseados em tecnologias para as quais componentes de nível espacial estão disponíveis.

O sistema começa com um laser de semente, o primeiro laser bloqueado de auto-injeção empacotado a ser realizado no comprimento de onda especificado pela missão de 1064 nanômetros. A luz emitida pelo laser de semente é injetada em um amplificador de fibra dopada com Yb bombeado pelo núcleo (YDFA), o que aumenta a potência média de 12 para 46 miliwatts. Uma fração da luz amplificada é então direcionada para uma cavidade óptica de referência, o que melhora a pureza espectral e a estabilidade do laser em ordens de magnitude.

A parte principal da luz então atravessa um modulador de fase, que adiciona recursos que permitirão à missão comparar os sinais das três espaçonaves por meio de um processo conhecido como interferometria. Finalmente, um segundo YDFA com núcleo bombeado e um YDFA de área de modo grande com revestimento duplo amplificam o sinal para quase 3 watts. Componentes adicionais ajudam a estabilizar a saída de energia.

Confirmando desempenho

A equipe criou uma estação de teste especial para avaliar seu protótipo de sistema a laser. Eles usaram um laser ultra-estreito de 1560 nanômetros estabilizado por cavidade, um pente de frequência óptica, um H-maser ativo e fotodetectores de baixa variação estabilizados por temperatura como referências para medir a estabilidade da frequência e amplitude do sistema.

Os testes demonstraram conformidade com as especificações LISA em toda a faixa de frequência, com exceções abaixo de 1 megahertz e acima de 5 megahertz, bem como excelente conformidade em relação ao ruído. Onde os testes mostram pequenos desvios das especificações, os pesquisadores identificaram as causas prováveis ​​e propuseram soluções para ajustar o sistema. Essas soluções incluem algumas melhorias técnicas do laser de sementes, como adicionar uma porta drop ao ressonador para reduzir o ruído de alta frequência.

"Embora uma data de lançamento logo após 2030 possa parecer distante, ainda há um desenvolvimento tecnológico substancial a ser realizado. A equipe está pronta para contribuir ainda mais com este empolgante empreendimento, "Lecomte disse.