Construiește un detector LISA pentru undele gravitaționale – 2 – Lasere și interferometrie

O ureche pentru muzica gravitațională

LISA (de la Laser Interferometer Space Antenna) are misiunea de a măsura undele gravitaționale în spațiu. Constă din trei nave spațiale care zboară sub forma unui triunghi de 5 milioane de kilometri pe o latură! Aceste trei nave spațiale folosesc raze laser pentru a păstra legătura. Fluxurile de laser formează laturile acestui triunghi virtual și permit celor trei nave spațiale să rămână la o distanță foarte precisă și să poată detecta orice comprimare sau extindere a distanței dintre ele cauzată de o undă gravitațională care trece. Cu trei nave spațiale, LISA poate identifica din ce direcție a apărut unda gravitațională.

Deoarece undele sunt atât de slabe, LISA trebuie să poată măsura distanța atât de precis încât să poată detecta o schimbare a diametrului unui fir de păr uman aflat la distanța de aici până la cea mai apropiată stea, Alpha Centauri. Această precizie este oferită de lasere.

Puterea laserelor

Amintiți-vă că energia electromagnetică (lumina) călătorește în unde. Lungimea undei este ceea ce determină dacă energia electromagnetică este, de ex., o undă radio, o undă de lumină vizibilă, o undă infraroșie sau o radiație X.

În primul rând, lumina de la un laser conține exact o culoare sau lungime de undă, nu mai multe lungimi de undă. Oamenii de știință spun că lumina laser este „monocromatică”, însemnând o culoare.

În al doilea rând, toate lungimile de undă sunt în fază. Adică, toate „se unduie” la unison. Toate crestele undelor (punctele înalte) și punctele joase sunt aliniate. Oamenii de știință spun că lumina laser este „coerentă”.

Și în al treilea rând, fotonii din undele de lumină din laser circulă toate în aceeași direcție, exact paralele unele cu altele. Nu sunt conduși în direcții diferite. Acest lucru înseamnă că raze de lumină din laser sunt foarte înguste și pot fi concentrate pe un singur spot minuscul. Oamenii de știință spun că lumina laserului este „colimată”.

Deoarece lumina laser este monocromatică, coerentă și colimată, toată energia sa este concentrată în un spot. Rezultă, de asemenea, că un fascicul laser poate străbate o distanță foarte lungă, fără a pierde mult din puterea sa, deoarece nu se disipă prea mult. Această caracteristică face laserele perfecte pentru LISA, deoarece fasciculul generat de o navă spațială trebuie să parcurgă o linie dreaptă de 5 milioane de kilometri prin spațiu pentru a se „conecta” cu o altă navă spațială.

Deci, cum va putea LISA măsura această distanță uriașă atât de precis?

Puterea interferometriei

După cum am menționat, undele au creste și văi, iar într-un fascicul laser toate sunt aliniate sau coerente. Explicația următoare este un pic simplificată. În principiu, o navă spațială LISA trimite un fascicul laser către o altă navă spațială. Cealaltă navă spațială reflectă raza laser înapoi. Dacă distanța dintre ele nu s-a schimbat, raza laser de întoarcere ar trebui să fie încă în fază (coerentă) cu fasciculul laser trimis. Dacă distanța lor s-a schimbat chiar și o fracțiune a unei lungimi de undă, atunci cele două fascicule laser vor fi defazate unul cu celălalt, iar elementele electronice LISA vor detecta și vor măsura defazajul. Deoarece aproximativ 1􀀁􀀁􀀁 de lungimi de undă de lumină laser s-ar potrivi pe un fir de  praf, o parte a lungimii de undă este neimaginat de mică. Aceasta explică precizia uimitoare a măsurătorilor LISA pe distanțe foarte mari.

Această tehnică de măsurare se numește interferometrie, deoarece măsurarea se bazează pe interferența undelor electromagnetice. Atunci când undele care sunt în fază se întâlnesc între ele, energia crestelor și văilor lor se adună.

Când undele sunt complet defazate (180^◦), creasta unei unde anulează valea celeilalte.

Text:

1. Detectarea undelor gravitaționale
2. Lasere și interferometrie
3. Construcția unui mini-detector LISA
4. Îmbunătățirea preciziei

PDF: https://www.telework.ro/ro/e-books/construieste-un-detector-lisa-pentru-undele-gravitationale/

Acest articol a fost scris de Diane Fisher, scriitoare și proiectantă a site-ului The Space Place de la spaceplace.nasa.gov. Alex Novati a desenat ilustrațiile. Mulțumiri lui Gene Schugart, consilier Space Place, pentru conceptul de activitate și sfaturi utile. Articolul a fost furnizat prin amabilitatea Jet Propulsion Laboratory, Institutul de Tehnologie din California, Pasadena, California, în baza unui contract cu Administrația Națională Aeronautică și Spațială (NASA). Traducere, editare imagini și adaptare de Nicolae Sfetcu, www.telework.ro.