Πως θα βρει η δέσμη laser της αποστολής LISA το στόχο της;
Μία από τις μεγαλύτερες τεχνικές δυσκολίες της αποστολής LISA που σχεδιάζουν από κοινού η ESA και η NASA βρήκε λύση: πως μία δέσμη laser θα μπορέσει να στραφεί με ακρίβεια προς το στόχο της, όταν αυτός βρίσκεται πέντε εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά;
Την επόμενη δεκαετία, η αποστολή Laser Interferometer Space Antenna (LISA) θα προσπαθήσει να ανιχνεύσει διαταράξεις της καμπυλότητας του χωροχρόνου, τις οποίες είχε προβλέψει ο Albert Einstein, και οι επιστήμονες σήμερα ονομάζουν βαρυτικά κύματα.
Όταν θα έχει αναπτυχθεί πλήρως, η αποστολή LISA θα αποτελείται από τρία όμοια διαστημόπλοια τοποθετημένα σε τριγωνικό σχηματισμό, καθένα από τα οποία θα συνδέεται με τα άλλα δύο με τη βοήθεια μίας δέσμης laser.
Μέσα σε κάθε δορυφόρο θα υπάρχει ένας μικρός κύβος από χρυσό και πλατίνα, ο οποίος θα αιωρείται ελεύθερα στο χώρο. Όταν βαρυτικά κύματα θα διέρχονται από το εσωτερικό τους, θα κινείται προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση.
Με τη βοήθεια μίας μεθόδου υψηλής ακρίβειας, η οποία ονομάζεται συμβολομετρία, οι δέσμες laser θα συνδυαστούν ώστε να συλλάβουν και τις πιο μικρές διαφορές στη θέση των κύβων και με τον τρόπο αυτό να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα.
Η ταλάντωσή τους μέσα σε ορισμένα όρια συχνοτήτων θα παρατηρηθεί σε περισσότερη λεπτομέρεια προκειμένου να ανιχνευθούν βαρυτικά κύματα που εκπέμπουν ασυνήθιστα μεγάλες μελανές όπες και άλλα κοσμολογικά αντικείμενα.
«Η έρευνα που έχουμε ξεκινήσει σκοπό έχει να ξεπεραστεί μία από τις μεγαλύτερες δυσκολίες της αποστολής LISA,» εξηγεί ο Lucio Scolamiero που επιβλέπει τις μελέτες που διεξάγει η ESA. «Πως θα διατηρηθεί η οπτική επαφή και, συνεπώς, η συνεχή ροή μετρήσεων μεταξύ των διαστημοπλοίων.»
Λόγω της πεπερασμένης ταχύτητας του φωτός, κάθε δέσμη laser θα χρειάζεται περίπου 16 δευτερόλεπτα για να καλύψει την απόσταση των πέντε εκατομυρίων χιλιομέτρων που θα χωρίζει τα τρία διαστημόπλοια μεταξύ τους.
Στο διάστημα αυτό, η κατεύθυνση της κάθε δέσμης θα πρέπει να διορθώνεται συνεχώς έτσι ώστε να αντισταθμίζεται η μετατόπιση του κάθε διαστημόπλοιου. Η επιφάνεια ανάκλασής της, ωστόσο, θα πρέπει να παραμένει σταθερή, καθώς η απειροελάχιστη μετακίνησή της μπορεί να ερμηνευθεί λάθος ως βαρυτικό κύμα.
«Εάν αυτό είναι εφικτό, δεν μπορούσαμε να το πούμε με σιγουριά,» προσθέτει ο κ. Lucio. «Στην αρχή, δεν υπήρχαν τα μέσα για να εκτιμήσουμε την απόδοση ενός τέτοιου συστήματος ακτίνων laser.»
«Σύντομα, όμως, λάβαμε δύο πολλά υποσχόμενες προτάσεις, τις οποίες και αποφασίσαμε να διερευνήσουμε.»
Τις προτάσεις είχαν καταθέσει δύο ερευνητικές ομάδες από τον ΤΝΟ (Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek) στην Ολλανδία, και τις RUAG και CSEM (Centre Suisse d'Electronique et Microtechnique) στην Ελβετία.
«Είναι πολιτική της ESA να μην αναθέτει την ανάπτυξη της ίδιας τεχνολογίας σε δύο διαφορετικές ερευνητικές ομάδες,» εξηγεί ο κ. Lucio. «Ορισμένες φορές, ωστόσο, διαφορετικές προσεγγίσεις είναι δυνατόν να υιοθετηθούν για να καλυφθεί η περίπτωση που μία αποδειχθεί ανεπαρκής.»
Τα συστήματα laser που πρότειναν είχαν αρκετές ομοιότητες μεταξύ τους, πέρα από το γεγονός ότι οι διαστάσεις τους δεν ξεπερνούσαν αυτές μίας παλάμης. Βασίζονται σε παρόμοιους ανιχνευτές για να διορθώσουν σφάλματα στον προσδιορισμό της γωνίας ανάκλασης της δέσμης.
Ο κινητήρας που χρησιμοποιούν για να διορθώσουν την κατεύθυνση της δέσμης βασίζεται σε κεραμικά υλικά, παρόμοια με αυτά που βρίσκονται σε ψηφιακά ρολόγια, που μπορούν να παράγουν ένα είδος μηχανικής τάσης όταν στα άκρα τους εφαρμοστεί ηλεκτρική τάση.
Τα πιεζοηλεκτρικά αυτά υλικά, όπως ονομάζονται, έχουν υποστεί ειδική επεξεργασία προκειμένου να αποκτήσουν το επιθυμητό επιμήκες σχήμα με πάχος που δεν ξεπερνάει το 0,1 χιλιοστό.
Το Ινστιτούτο Albert Einstein με έδρα το Ανόβερο στη Γερμανία ανέπτυξε στη συνέχεια ένα προηγμένο σύστημα μέτρησης που επιτρέπει την αξιολόγηση της ακρίβειας με την οποία λειτουργεί το κάθε σύστημα laser.
Η μέθοδος της συμβολομετρίας, η τεχνική πάνω στην οποία βασίζεται η ίδια η αποστολή LISA, επιλέχθηκε για τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν στο εσωτερικό ενός θαλάμου κενού αέρος πάνω σε ένα κεραμικό υλικό υψηλής ποιότητας.
Ένας πρώτος δορυφόρος, ο LISA Pathfinder, θα εκτοξευθεί το 2013 με σκοπό να επιβεβαιώσει την ορθή λειτουργία του συστήματος οδήγησης της δέσμης laser πριν την εκτόξευση της αποστολής LISA, η οποία είναι μία από τις υποψήφιες αποστολές του προγράμματος Cosmic Vision.
