Zaawansowane detektory fal grawitacyjnych
W ubiegłym roku obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) dwukrotnie wykryło fale grawitacyjne, co sugeruje, że wykrywanie takich fal może już wkrótce stać się obserwacją rutynową. Uzyskanie czułości niezbędnej do wykrywania takich zafalowań czasoprzestrzeni, przewidzianych teoretycznie 100 lat temu przez Alberta Einsteina, było niezwykle trudne i wymagało ponad 10 lat pracy. Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) zajęła się tymczasem tworzeniem kosmicznego obserwatorium fal grawitacyjnych w postaci zaawansowanego interferometru laserowego eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), którego wystrzelenie zaplanowano na lata 30. bieżącego wieku. W grudniu 2015 r. umieszczono na orbicie satelitę testowego LISA w celu sprawdzenia poprawności koncepcji i dowiedzenia wykonalności misji eLISA. Na Ziemi z kolei przygotowano placówkę do testowania technik i materiałów, które będą potrzebne w kosmicznych obserwatoriach fal grawitacyjnych. Instalacja tworzona w ramach projektu GRLOW (Gravitational wave detectors low-frequency technology test bed) składa się ze zbiornika próżniowego o kontrolowanej temperaturze, który umożliwia niwelowanie wpływu zmiennych warunków otoczenia. Proponowany obiekt pozwoli nie tylko ekranować zakłócenia środowiskowe w obserwacjach na niskich częstotliwościach, ale również generować kontrolowane zaburzenia. Wewnątrz zbiornika umieszczono interferometr o czułości pikometrowej, który umożliwia charakteryzowanie materiałów, w tym polimerów wzmocnionych włóknami węglowymi i węglika krzemu, na szerokościach pasma używanych przy pomiarach kosmicznych. Zastosowany interferometr wykorzystuje głęboką modulację fazową, umożliwiając śledzenie masy swobodnie spadającej w sposób ciągły i w czasie rzeczywistym, zgodnie z wymogami wykrywania fal grawitacyjnych. Badacze z zespołu GRLOW zbudowali od podstaw modulatory generujące impuls taktujący mierzony przez fazomierz wykonany z użyciem układów FPGA. Dodatkowo opracowano układ do odczytów interferometru. Innowacja zastosowanego podejścia polega na zastosowaniu fazomierza wykonanego w technologii systemu zintegrowanego. Umożliwi to wykonywanie bardzo precyzyjnych pomiarów bez konieczności ponownego kompilowania oprogramowania przy każdej zmianie jednego z parametrów wejściowych. Badacze przeprowadzili w warunkach laboratoryjnych eksperyment dowodzący, że możliwe jest osiąganie czułości pomiarów rzędu 10 nm na pierwiastek z herca. Dla potrzeb satelity LISA opracowano też techniki analizy danych pozwalające scharakteryzować szumy powodowane przez odkształcenia termoelastyczne o bardzo niskich częstotliwościach. Nowe techniki będą też mieć zastosowanie do instalacji GRLOW. Wszystko to pozwoli zapoczątkować nową erę astronomii fal grawitacyjnych i uzyskać nowe informacje na temat kosmosu.
Słowa kluczowe
Fale grawitacyjne, LIGO, eLISA, satelita LISA, GRLOW, zbiornik próżniowy, interferometr
