Érdekes trükkök a gravitációs hullámok befogásában

A LISA Patfinder szonda hordozóeszköze, földkörüli pályán,a szonda december eleji felbocsátását követően

Az Európai Űrügynökség LISA küldetése a gravitációs hullámok jövőbeli, űrbéli detektálásához szükséges technológiákat készíti elő. A küldetés keretein belül első alkalommal igyekeznek új technológiákat tesztelni, amelyek további ablakokat nyithatnak a gravitációs hullámok vizsgálata terén a tudósok számára. Vajon milyen technológiai trükköket alkalmaznak a mérnökök a jövő gravitációs hullám detektoraiban? Helyzetjelentés a LISA küldetésről.

Tények a LISA küldetésről

A küldetés nevének magyar megfelelője a „Lézer Interferometriai Űrantenna”, amelynek az a célja, hogy a jövőbeli, űrben megvalósított gravitációs hullám detektáláshoz szükséges technológiákat tesztelje.

A LISA Patfinder szonda hordozóeszköze, földkörüli pályán,a szonda december eleji felbocsátását követően Forrás: ESA

A teljes nevén LISA Pathfinder küldetés 2015. december 3-án startolt egy Vega hordozórakéta fedélzetén az Európai Űrügynökség Kourou űrbázisáról, Francia Guyanáról.

A felbocsátás után közel tíz hetes utazás várt a szondára, amíg elérte a kijelölt küldetési helyét a Föld és Napunk között található L1 Lagrange-pontban, azaz mintegy másfél millió km-re bolygónktól.

A LISA Pathfinder hordozórakétája úton a kozmoszba Forrás: ESA

A küldetés tulajdonképpen az eLISA előkészítése, amelynek során a a tesztelt technológiákat felhasználva

az Európai Űrügynökség a gravitációs hullámok detektálásának lehetőségeit szeretné kiterjeszteni a tudóstársadalom számára.

Nézzük meg részleteiben is a tesztelni kívánt technológiát!

A legtisztább szabadesés

Arról már eddig is sok szó esett, hogy a gravitációs hullámok detektálásához lézernyalábokat használtak a LIGO projekt keretében a korszakalkotó felfedezéshez, amelyek egymásra merőlegesen tettek meg bizonyos hosszúságú utakat, és e távolságok megváltozása a gravitációs hullámok által felkorbácsolt téridő ingadozásoknak volt tulajdonítható.

A LISA Pathfinder szonda kulcsfontosságú technológiai kísérletekbe kezd, március elsejétől Forrás: ESA

A mérések kiterjesztéséhez (nagyon alacsony frekvenciájú gravitációs hullámok detektálásához)

jelentősen növelni kell a lézernyalábok által megtett utak hosszát.

Ezt a világűrben könnyedén megtehetjük, hiszen hatalmas a tér, de vajon technológiailag miért olyan nagy kihívás mindez? Az Európai Űrügynökség merész technológiai megközelítést választott a LISA küldetésben. Az űrszonda belsejében két darab különleges arany-platina kocka található, amelyek a szonda végső, L1-beli pozíciójának eléréséig a szondához vannak rögzítve.

A szonda belsejében lévő két arany-platina kocka, amelyek a mérési sorozat idején szabadesésben lesznek Forrás: ESA

Azonban a végső pozíció elérése után a kockák rögzítését eloldják, amelyek elválnak a szondától. Tulajdonképpen

a szonda belsejében, a kockák számára kialakított térben a „legtisztább szabadesés” állapotába kerülnek,

ahogyan a LISA projekt vezető tudósa fogalmaz. A szabadesés közismerten a testek mozgása légüres, gravitációs térben.

A Pathfinder szonda elhagyja a hordozóeszközt Forrás: ESA

A gravitációs hullámok detektálásához a mérőkarok végén tökéletes tehetetlenségi pályán mozgó testekre van szükség, amelyekre ható minden fékező erőt ki tudunk kompenzálni. A LISA szonda belsejében lévő tesztkockák „tiszta szabadesése” éppen ezt teszi lehetővé,

hiszen pozíciójuk elméletileg csupán a téridő zavaró hatására változhat meg,

vagyis az átutazó gravitációs hullámok következtében minden más erőhatás elhanyagolható (vagy kompenzálható).

Gravitációs hullámok Forrás: ESA

A kockák egymáshoz viszonyított helyzetének mérését a jól ismert módszerrel, lézerek összetett rendszerével valósítják meg. Technológiai szempontból nézve ez hatalmas kihívás, hiszen a kockák a szonda belsejében találhatóak szabadesésben, miközben nem érintkezhetnek egyszer sem a szondával. A kockák élhosszúsága 46 mm, a szonda falától pedig alig pár mm-re vannak minden irányban!

A gravitációs hullámok léte már tudományos bizonyossággá vált Forrás: NASA

Annak érdekében, hogy a kockák ne érintkezzenek a szonda falával (ne érje őket semmilyen behatás a gravitációs hullámokon kívül) a szonda minden elmozdulását elképesztő pontossággal kiegyensúlyozó, apró fúvókák rendszerére van szükség, amelyek nagyon pontosan megőrzik a mérések során a szonda helyzetét. A szondára ható, minden külső erőhatás kiegyensúlyozásához (ilyen például a Nap sugárnyomása) másodpercenként mintegy tízszer kell a fúvókákat nagy rövid időre aktiválni.

Sikeres első lépések

A szonda elérte az L1 pontot és a napokban kioldották a kockákat rögzítő mechanizmust, így megkezdődött a szabadesésük.

A legjobban ettől a manővertől tartottak a mérnökök,

hiszen a földi laboratóriumi körülmények között ez a mechanizmus nem volt teljes egészében tesztelhető sohasem. A szonda március 1-én kezdi meg a tudományos küldetését.

Az Európai Űrügynökség (ESA) szakemberei a jelenlegi kísérletsorozat eredményei alapján tervezi meg az űrbéli, a gravitációs hullámokat kutató obszervatóriumot Forrás: Picasa

Ez a technológia a gravitációs hullámok detektálására, és a földi körülmények között megvalósíthatatlan mérésekre ad majd lehetőséget.

A tesztkockák sikeres kioldása a legfontosabb, első lépés volt a küldetés során,

amely lehetővé teszi, hogy bizonyítsák a technológia működését. Ez pedig alapvető előfeltétele az Európai Űrügynökség által tervezett, jövőbeli, űrbe telepítendő gravitációs hullámok detektálására alkalmas obszervatóriumnak.

(Zábori Balázs asztrofizikus, az MTA kutatójának összeállítása)