Laser -Interferometer -Weltraumantenne – Wikipédia

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Laser -Interferometer -Weltraumantenne (LISA)

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Darstellung von Lisa -Erkennung von Gravitationswellen im Weltraum.

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Laser -Interferometer -Raumantenne ( Lisa ) ist eine zukünftige räumliche Mission der Europäischen Weltraumagentur (ESA), deren Ziel es ist, niedrige Gravitationswellen aus dem Weltraum zu erkennen. Es ist das erste Weltraum -Observatorium von Gravitationswellen, aktuellen Observatorien, insbesondere Ligo und Jungfrau, terrestrisch.

Lisa besteht aus einer Konstellation von drei Satelliten in der heliozentrischen Umlaufbahn, die ein gleichseitiges Dreieck von bilden 2,5 Millionen Seitenkilometer, deren drei Arme mit sechs Laserstrahlen verbunden sind.

Lisa wurde aus 1997 als Zusammenarbeit zwischen ESA und NASA entworfen, aber die American Space Agency ging aus finanziellen Gründen 2011 in den Ruhestand. Das europäische Projekt wird dann stark reduziert und nacheinander umbenannt Neues Gravitationswellen-Observatorium ( Das ) Dann Evolved Lisa ( Elisa ). Nach dem Erfolg der Mission des technologischen Demonstrators Lisa Pathfinder und vor allem der ersten direkten Beobachtung von Gravitationswellen die Die NASA kehrt 2016 zum Projekt zurück. Verwenden Sie den Namen von Lisa Das Projekt wird erneut neu definiert und letztendlich von der ESA die ausgewählt Als breite Mission L3 des Programms Kosmische Vision Für einen Start im Jahr 2032.

Gravitationswellen: Ein neues Fenster im Universum [ Modifikator | Modifikator und Code ]

Gravitationswellen oder Gravitationswellen sind Oszillationen der Raumzeit, die in langer Zeit mit Lichtgeschwindigkeit in der Leere von ihrem Bildungspunkt ausgegeben werden. Ihre Existenz wird von Albert Einstein in seiner Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1916 vorhergesagt. Die erzeugten Deformationen sind jedoch so schwach, dass nachweisbare Wellen nur durch Massen erzeugt werden, die sehr große Beschleunigungen unterliegen.

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Im Gegensatz zu elektromagnetischen Wellen interagieren Gravitationswellen mit Materie wenig. Sie bewegen sich über große kosmische Entfernungen ohne gestörte Wesen. Es ist daher möglich, sie zu beobachten, um neue Informationen über das Universum zu erhalten [ Erste ] . Insbesondere können sie es ermöglichen, die Anfänge des Universums in den ersten 380.000 Jahren nach dem Urknall besser zu verstehen, zu einer Zeit, als elektromagnetische Wellen, deren Licht, noch nicht zirkuliert. Sie können auch Daten zu bestimmten himmlischen Objekten wie schwarzen Löchern, Neutronensternen oder Supernovas bereitstellen [ 2 ] .

Terrestrische Interferometer und erste Beobachtungen [ Modifikator | Modifikator und Code ]

Um Gravitationswellen zu erkennen, verwenden Forscher die Interferometriemethode. Landinterferometer wie Virgo (gebaut in Cascina in der Nähe von PISA in Italien) oder Ligo (Livingstone und Hanford in den USA), existiert bereits seit Anfang der 2000er Jahre und waren in Betrieb. Andere sind geplant: GEO600 in Deutschland, Aigo in Australien und Tama in Japan. Ihre Empfindlichkeit ist jedoch auf hohe Frequenzen beschränkt (10 Hz -zehn KHz ) durch seismische Rauschen, ihre Armlänge und durch Gravitationsfeldgradienten innerhalb der Erde.

Die erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen wird bekannt gegeben von Ligo- und Jungfrau Laboratorien. Das GW150914 -Signal wird erkannt Zu 9 h 50 min 45 mit hier Auf den beiden amerikanischen Zwillingsstandorten ligo. Der Ursprung dieses Signals ist die Koaleszenz (Fusion) von zwei schwarzen Löchern von 36 und 29 Sonnenmassen , in mehr als einer Milliarde Lichtjahre entfernt [ 3 ] Anwesend [ 4 ] . Eine zweite Beobachtung wird gemacht , eine dritte die und eine vierte . Diese Entdeckungen werden durch den Nobelpreis in Physik in belohnt , vergeben an die Amerikaner Rainer Weiss, Barry C. Barish und Kip Thorne, verantwortlich für die Ligo -Erfahrung [ 5 ] .

Der Die Fusion zweier Neutronensterne wird zum ersten Mal sowohl in Form von Gravitationswellen durch die 3 terrestrischen Interferometer nur in Lichtform durch 70 Teleskope auf der Erde und in der Umlaufbahn beobachtet. Dieses Ereignis unterzeichnet den Beginn der Gravitationsastronomie wirklich [ 6 ] .

Die ersten Raum -Interferometer -Projekte [ Modifikator | Modifikator und Code ]

Die ersten Arbeiten an einem räumlichen Gerät, das die Gravitationswellen untersuchen kann, stammen aus dem Jahr 1974. Ein Team der NASA schlägt vor, ein Interferometer von Michelson in Form eines Kreuzes zu bauen, dessen Arme einen Kilometer lang sind. Dieses ehrgeizige Projekt wird mitten in einem Programm angeboten Apollo , nur fünf Jahre nach den ersten Schritten des Menschen auf dem Mond [ 7 ] .

Das Konzept wurde in den folgenden Jahren und 1981 von Peter Fender und James Faller vom Joint Institute for Laboratory Astrophysics vertieft (In) (Jila) der Universität von Colorado in Boulder bieten die Lagos -Mission an ( Laserantenne für die Beobachtung der Gravitationstrahlung im Raum ): Drei Satelliten mit Trap -Kompensation werden in einer Million Kilometern voneinander in heliozentrischer Umlaufbahn gebracht. Trotz ihres Interesses an dem Projekt lehnt die NASA das Projekt aufgrund mangelnder Finanzmittel ab [ 7 ] Anwesend [ 8 ] Anwesend [ 9 ] .

Lisa ist das erste Weltraum -Observatorium von Gravitationswellen. Es ermöglicht die Erkennung von Gravitationswellen mit niedriger Frequenz zwischen 0,1 MHz und 100 MHz [ zehn ] , Durch terrestrische Interferometer aufgrund ihrer geringen Größe und seismischen Störungen nicht überobert. Niedrige Gravitationswellen werden von sehr massiven und sehr entfernten Sternen erzeugt, wie z. B. supermassiv [ 11 ] .

Der von LISA beobachtete Frequenzstreifen gilt als die reichsten in Gravitationswellen. So sollte die Mission es ermöglichen, die Bildung binärer Sterne auf milchige Weise besser zu verstehen, die Geschichte des Universums zu einer Lücke in Richtung Rot der Größenordnung von 20 zu kennen (erste Sterne, die nach dem Urknall gebildet werden), um die zu testen Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie in starken Gravitationsfeldern und um die Anfänge des Universums zu beobachten, die Energien der Reihenfolge von TEV umsetzen [ Zwölftel ] .

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Vorschlag wie M3 M3 von ESA (1993-1996) [ Modifikator | Modifikator und Code ]

1993 appellierte die Europäische Weltraumagentur (ESA) für Vorschläge für die dritte Mittelklasse -Mission (M3) des Horizon 2000 -Programms. Zwei Gravitationswellenerkennungsprojekte aus dem Weltraum wurden von internationalen Forschernteams angeboten [ 8 ] Anwesend [ 9 ] :

Angesichts der Ähnlichkeiten zwischen den beiden Vorschlägen beschließt die Europäische Weltraumagentur, sie in derselben Bewertungsstudie zusammenzubringen, die zwischen den beiden Optionen regieren muss. Angesichts des niedrigen Kostenunterschied [ 8 ] Anwesend [ 9 ] .

Das LISA -Projekt wird 1996 nicht schließlich als M3 -Mission von der Europäischen Weltraumagentur ausgewählt, da seine Kosten viel höher sind als das Budget der Missionsgrenze. Aber die Grundlegendes physikalisches Team Und das Studienausschuss, das sich seines wissenschaftlichen Potenzials bewusst ist, empfehlen Sie, es zur dritten “Angular Stone” -Mission des Programms zu machen Horizon 2000+ [ 8 ] Anwesend [ 9 ] . Es ist die Planck-Mission (Ex-Cobras/Samba), deren Ziel es ist, die winzigen Temperaturschwankungen des kosmologischen diffusen Hintergrunds abzubilden, der als Mission M3 beibehalten wird [ 13 ] .

Joint ESA / NASA AUSGABE (1997-2011) [ Modifikator | Modifikator und Code ]

Angesichts der erheblichen Kosten des LISA -Projekts sind die erforderlichen Mittel schwer zusammenzubringen und der Start kann nicht vor 2017 oder sogar 2023 stattfinden. Es besteht dann ein Risiko, dass die NASA ein ähnliches Projekt eingerichtet und vor der Europäischen Agentur einsetzt Raum. Von 1996 bis 1997 teilte das LISA Scientific -Team die Kosten des Projekts fast zwei auf, indem sie die Anzahl der Satelliten sowie deren Größe verringert. In , es bietet mit dem Grundlegende Physikberatungsgruppe (FPAG) mit der NASA zusammenarbeiten [ 9 ] .

In Ein Team des Jet Propulsion Laboratory (JPL) arbeitet bereits mit dem LISA Scientific -Team an einem auf 465 Millionen US -Dollar geschätzten Projekt zusammen: drei Satelliten, die 5 Millionen Kilometer verteilt sind, die ein gleichseitiges Dreieck bilden und von einem Delta -II -Launcher gesendet werden. Diese neue Lisa -Mission wird bei präsentiert Struktur und Evolution des Universums -Unterausschusses (SEUS) der NASA im März. Wenn die Mission nicht sofort für einen Start zwischen 2000 und 2004 übernommen wird, wird sie als Teil der ausgewählt Roadmap für die Technologieentwicklung für die Struktur und Entwicklung des Universumsthemas . Im Juni desselben Jahres war das LISA -Projekt mit einem Büro bei JPL unter der Leitung von W. M. Folkner ausgestattet. Im Dezember ein Team namens namens Lisa Mission Definition Advisory Team ist mit 36 ​​amerikanischen Wissenschaftlern und der Teilnahme des ESA -Teams ausgebildet [ 9 ] .

In Eine Vereinbarung zwischen ESA und NASA verteilt die Verantwortung. Die NASA kümmert sich um die Versorgung der drei Satelliten und des Launchers, der Kontrolle von Operationen und der Verwendung des Deep Space Network. ESA liefert die Nutzlast und die drei Treibmittel [ 8 ] .

Aber in , Die Europäische Weltraumagentur (ESA) und die NASA geben das Ende ihrer Zusammenarbeit bekannt. Aufgrund von Budgetkürzungen und den Kosten des James-Webb-Weltraumteleskops kann die NASA nur eine große Mission finanzieren und die Planetary Science Decadal Survey beurteilte das Projekt wichtiger Breites Feld Infrarot Vermessung Teleskop (WFIRST) dem Studium der schwarzen Energie gewidmet [ 14 ] Anwesend [ 15 ] Anwesend [ 16 ] .

Neudefinition des europäischen Projekts und Vorschlags als Mission L1 von ESA (2011-2013) [ Modifikator | Modifikator und Code ]

Mit der Abreise der NASA muss die europäische Raumfahrtbehörde dann die Mission in einem einzigen europäischen Kontext überdenken. Um ein vernünftigeres Budget zu erreichen, überarbeitet es seine Eigenschaften nach unten: Ein Interferometer, das für einen Missionszeitraum von nur zwei Jahren mit zwei Armen von einer Million Kilometern auf einer anderen Umlaufbahn gelegt wird. Diese Änderungen haben eine Abnahme der Empfindlichkeit des Interferometers [ 17 ] Anwesend [ 18 ] .

Das Projekt, bekannt Neues Gravitationswellenobservatorium (Das) [ 19 ] , wird als Mission L1 des kosmischen Visionsprogramms vorgeschlagen. Wenn sein wissenschaftlicher Wert jedoch anerkannt wird, wählt das wissenschaftliche Programmkomitee in Die Mission der Saft -Raumsonde, die über die Monde des Jupiter fliegen muss [ 20 ] Anwesend [ 21 ] .

Rückgabe von NASA und Selektion als Mission L3 von ESA (2013-2017) [ Modifikator | Modifikator und Code ]

In Die Europäische Weltraumagentur appelliert an, den Vorschlag für die künftigen schweren Missionen des Cosmic Vision -Programms für zukünftige L2- und L3 -Missionen zu machen. Im November gibt es an, dass die L2 -Mission dem Heiß- und Energieuniversum und der L3 -Mission für das Gravitationsuniversum gewidmet ist [ 22 ] . Das Thema des letzteren entspricht dem Ziel des NGO -Projekts, das jetzt Elisa (namens Elisa ( Evolved Lisa ) [ 23 ] Anwesend [ 16 ] Anwesend [ 17 ] .

Der für die Validierung der in LISA verwendete Technologien verwendete Technologien verantwortliche LISA Pathfinder -technologische Demonstrator Um 4:04 Uhr [ 24 ] . Der Satellit erreicht die seine endgültige Position bis zur Stelle von Lagrange l Erste 1,5 Millionen Kilometer von der Erde in Richtung Sonne. Er beginnt seine wissenschaftliche Mission in für einen Zeitraum von sechs Monaten. Nach nur zwei Monaten des Betriebs ist die Mission jedoch ein Erfolg: Nicht nur die Technologien, sondern die Leistung des Demonstrators ist fünfmal höher als die Spezifikationen [ 25 ] Anwesend [ 26 ] .

Nach dem Erfolg der Mission Lisa Pathfinder und vor allem der ersten direkten Beobachtung von Gravitationswellen die Die NASA entscheidet im Sommer 2016, sich dem Projekt anzuschließen, das den Namen Lisa aufnimmt [ 27 ] Anwesend [ 28 ] . Die wissenschaftlichen Teams des Projekts können dann ihre wissenschaftlichen Ambitionen nach oben überarbeiten.

In , Die Europäische Weltraumagentur (ESA) eröffnet den Prozess der Auswahl der Mission L3 des Cosmic Vision -Programms, deren Einführung 2034 geplant ist [ 29 ] . Der Das LISA -Projekt wird bei der ESA für diese Mission vorgeschlagen [ 30 ] . Es besteht nun aus einem Interferometer mit drei Armen mit einer Länge von jeweils 2,5 Millionen Kilometern. Sechs Laser verbinden die drei Satelliten, die dreieckig auf einer heliozentrischen Umlaufbahn in einer Entfernung von etwa 50 Millionen Kilometern von der Erde platziert sind. Die Kosten dieser vierjährigen Mission werden mit einer erwarteten Beteiligung von 20% der NASA auf eine Milliarde Euro geschätzt [ Dreißig zuerst ] . Der , Die Science Program Committee De L’Sa wählt das LISA -Projekt ohne Überraschung als große L3 -Mission aus [ 32 ] Anwesend [ 33 ] .

Entwicklung (2018-) [ Modifikator | Modifikator und Code ]

Während des ESA -Ministers von 2019, dem der Mission zugewiesenen Budget, übertraf die Erwartungen, das Startdatum konnte somit von 2034 bis 2032 gehen.

Der technologische Demonstrator Lisa Pathfinder [ Modifikator | Modifikator und Code ]

Im Jahr 1998 wurde beschlossen, bestimmte sensible und innovative Aspekte des LISA -Projekts mit einem technologischen Demonstrator namens Elite zu testen ( Europäische Lisa -Technologie -Experiment ). Dieses Projekt wird überarbeit Science Program Committee (SPC). Das Projekt wird dann in Lisa Pathfinder umbenannt [ 7 ] Anwesend [ 34 ] .

Der Satelliten Lisa Pathfinder wird gestartet Um 4:04 Uhr [ 24 ] . Der Satellit erreicht die seine endgültige Position bis zur Stelle von Lagrange l Erste 1,5 Millionen Kilometer von der Erde in Richtung Sonne. Er beginnt seine wissenschaftliche Mission in für einen Zeitraum von sechs Monaten. Nach nur zwei Monaten wissenschaftlicher Operationen ist die Mission jedoch ein Erfolg. Die technologischen Technologien werden nicht nur validiert, sondern die Leistung des Demonstrators ist fünfmal höher als die Spezifikationen [ 25 ] Anwesend [ 26 ] .

Orbitographie von Lisa -Stationen und jährliche regelmäßige Bewegung des Interferometers in der heliozentrischen Umlaufbahn.

Lisa besteht aus einer Konstellation von drei künstlichen Satelliten, die in der heliozentrischen Umlaufbahn aufgebaut sind und ein gleichseitiges Dreieck von 2,5 Millionen Kilometern bilden. Die drei Arme sind durch optische Glieder mit Laserstrahlen verbunden. Das Training folgt der Erde mit einer Verzögerung von 20 ° oder etwa 50 Millionen Kilometern. Der vom Satellitendreieck gebildete Plan ist im Vergleich zum Ekliptikplan 60 ° geneigt [ 35 ] .

Diese Konfiguration wird durch die Tatsache ermöglicht, dass die Gesetze der himmlischen Mechanik vorhersagen, dass drei heliozentrische Umlaufbahnen desselben Radius und gemäß einem bestimmten Winkel von drei Satelliten bedeckt werden können, die ein perfektes gleichseitiges Dreieck bilden, wenn die relativen Positionen von Satelliten auf ihrem jeweiligen Umlaufbahnen werden ausreichend ausgewählt. Das Dreieck macht in einem Jahr eine volle Tour in der Mitte.

Stilisierte Ansicht der Deformationen, die beim Übergeben einer polarisierten Gravitationswelle + auf den Laserarmen des Lisa -Interferometers induziert wurden.

Wie bei allen modernen Gravitationswellendetektoren verwendet Lisa die Laserinterferometrie -Technik. Die drei Satelliten, die Lisa zusammenstellen, bilden ein Interferometer des riesigen Michelson [ 36 ] . Nach dem Übergeben einer Gravitationswelle sind die Entfernungen der drei Arme von Lisa aufgrund der Deformationen der Raumzeit gestört, die durch die Gravitationswelle erzeugt werden.

In der Praxis messen wir daher eine relative Variation der Phase eines entfernten Lasers im Vergleich zu einem lokalen Laser nach dem Prinzip der Lichtinterferenz. Der Vergleich zwischen der Häufigkeit des empfangenen Strahls und dem des lokalen Oszillators trägt daher die Signatur der durch eine Gravitationswelle erzeugten Störungen.

Jeder Satellit hat zwei Laser, die jeweils auf einen der beiden anderen Satelliten hinweisen. Aufgrund der Entfernung kann der von einem entfernte Satelliten empfangene Laserstrahl nicht so reflektiert werden, wie er dem anderen Satelliten ist, da das Signal letztendlich zu gedämpft ist. Zu diesem Zweck lehnte jeder Satellit einen Laserstrahl ab, der lokal erzeugt wurde, aber im Einklang mit dem empfangen [ 37 ] .

Um andere nichtgravitative Kräfte wie Sonnenwind und Strahlungsdruck zu beseitigen, auf die jeder der drei Satelliten ausgesetzt ist, ist die interferometrische Messreferenz eine Trägheitsmasse (ein Würfel von 46 mm Seite aus 75% Gold und 25% Platin), im freien Raum, enthält und folgt dem Satelliten [ 38 ] nach einem Prinzip, das bereits von anderen räumlichen Missionen wie der Schwerkraftsonde B. bereits erlebt wurde

Jeder Satelliten misst diese Einschränkungen (dank eines kapazitiven Beschleunigungsmessers) und kompensiert sie (dank Mikroakkreditierungen). Das Gerät stellt sicher, dass jeder Satellit im Vergleich zu seiner Testmasse gut zentriert bleibt.

Die Abmessungen des LISA -Interferometers und deren Isolierung terrestrischer Rauschquellen ermöglichen es somit, eine Empfindlichkeit zu erhalten, die mit der von terrestrischen Interferometern vergleichbar ist (objektive Empfindlichkeit 10 pm über einen Abstand von 1 Million Kilometern, dh eine relative Entfernungsvariation ΔL/ L < 10 -21 ), aber in einem Frequenzband zwischen 0,1 MHz um 1 Hz etwa. Dieser Frequenzstreifen ergänzt die von Antennen des Jungfrau- oder Ligo -Typs und bietet Zugang zu einer anderen Klasse von astrophysikalischen Ereignissen [ 39 ] .

Die von Lisa abzielte Physik ist hauptsächlich die, die um die schwarzen Löcher spielt, die von fast allen galaktischen Lampen geschützt sind. Wir wollen durch Gravitationssignale die Einnahmen von kompakten Sternen durch schwarze Löcher beobachten, sogar die Kohlenwesen von schwarzen Supermassivlöchern.

In der Tat ist die Häufigkeit von Gravitationswellen direkt mit der Systemrevolutionsperiode verbunden, die sie erzeugt. Die Periode der Revolution eines Systems von zwei schwarzen Löchern, die auf den Zusammenhang stehen, ist jedoch direkt eine Funktion ihrer Masse: Je höher die Masse, desto größer ist die Zeit und die Häufigkeit der erzeugten Wellen niedrig. Der Frequenzstreifen terrestrischer Interferometer entspricht Emissionen, die durch Neutronensterne oder stellare schwarze Löcher erzeugt werden. Das von Lisa entspricht der von schwarzen Supermassivlöchern [ 40 ] . Die Ereignisse mit supermassiven schwarzen Löchern sind Erste Seltener als solche, die stellare schwarze Löcher betreffen, sind jedoch über größere Entfernungen nachweisbar. Ein mit der LISA -Mission verbundenes Risiko besteht darin, dass das Gravitationssignal durch eine Reihe von Systemen von zwei weißen Zwergen verschmutzt wird und bei diesen Frequenzen Wellen erzeugt, die eine niedrigere Amplitude, jedoch aufgrund ihrer größten Nähe nachweisbar ist.

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