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LISA地面测试平台搭建成功

发布时间: 2019-03-10 09:55:41   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  一项雄心勃勃的计划——LISA任务计划于2034年发射,它通过一个巨大的、基于空间的激光干涉仪测量引力波,将探测在宇宙飞船之间相距数百万公里之间几百万之一米或万亿分之一米的变化。人们怎么能开始测量和确认地球上的那种公差,来审查为这项任务建造的新技术? 

  德国马克斯普朗克引力物理研究所的科学家们现在已经建立了一个超稳定的光学平台,他们说这可以作为地基测试平台来解决部分验证难题(Phys.Rev.Lett。,doi:10.1103) /PhysRevLett.122.081104)。在相位噪声的三激光干涉测试中,测试平台显示出“LISA样皮米级”的稳定性,并且能够在比现有技术水平的测试平台更好地验证设备的精度。该研究小组总结说,该设置表明,天基系统的关键部分可以在地球上的实验室进行测试。 

  250万公里的干涉仪臂

  像地面探测器LIGO和Virgo一样,LISA代表激光干涉仪空间天线,将通过感应多个固定激光束长度的无穷小变化来探测引力波,因为引力波会随着时间的推移而受到干扰并扰乱时空结构( 参见“引力波:未来之路”,OPN,2018年5月)。 由欧洲航天局(ESA)领导的LISA任务将由三个航天器组成,这些航天器排列在等边三角形的顶点,三角形的每一边都有250万公里。这三个航天器将位于L1拉格朗日点,这是地球与太阳之间的一个重力中性点,距离地球约一百万公里。 

  

  图5  由Max Planck团队设计的超稳定光学平台用于校准LISA任务的相位计,通过三个激光束的干涉精确到皮米级精度。

  在LISA装置中,超稳定的1064nm激光器将在这个巨大的空间三角形的顶点之间发光,并从航天器中自由落下的金涂层测试质量反弹。通过地面上的数字“虚拟”迈克尔逊干涉仪中的外差干涉测量法检测到的不同航天器中的测试质量之间的行程时间测量值的变化将表示存在引力波。 

  以前基于太空的试验工作,即2015-2017 LISA探路者任务,已经令人印象深刻地证明了将自由落体测试质量放入轨道并测量其相对运动的能力。这一试验成功为LISA建立了下一阶段的硬件和技术开发基础。 

  皮米量级灵敏度

  由于其巨大的覆盖范围,LISA应该能够探测100μHz和1 Hz之间频率的引力波,这是地球探测器无法进入的频段,可以为“宇宙黑暗时代”(大爆炸后不到1.5亿年)的高能事件敞开窗口。然而,为了进行这些测量,LISA需要能够以皮米级的数量级来获取长度变化(更准确地说,干涉信号中的相位变化)。反过来,这将需要一个可以消除激光频率噪声、多普勒频移和其他噪声源的相位计,以在测量的相位变化中提取精密的位移信号。 

  这样的相位计是根据ESA合同开发的,但是如何测试呢?由Gerhard Heinze领导的Max Planck团队开始努力通过构建一个优雅、非常稳定的平台来回答这个问题。该平台是一个光学平台,是一个由Schott玻璃陶瓷材料Zerodur制成的厚底板组成,其上安装有三个光纤注入器,以提供来自三个相干1064nm激光器的光。 

  六个楔形分束器,以六边形图案排列,允许光束配置成三个独立的干涉仪设置;反过来,干涉仪信号被组合,数字控制环路被设置为允许以LISA设想的5到25Hz频率的外差拍音。输出拍音通过光接收器捕获,光接收器由InGaAs光电二极管和放大器组成,它们将拍频信号发送到相位计进行解释。整个装置位于真空室中,压力保持在10毫巴以下。 

  测试相位计

  该团队将此装置与为ESA任务开发的相位计相关联。研究人员发现,他们的光学平台“提供足够的稳定性,精度低至类似LISA的皮米级”,并且能够使用该精度来进行相位计的基准测试,“具有类似LISA的动态范围和外差频率。”团队认为它通过改进的光电探测器,可以进一步降低测试台的噪声,从而降低测量精度。 

  即使现在,研究人员仍然坚持认为,他们的测试平台可以比其他可比系统更精确地测量精度,他们相信它可以扩展到测量LISA计量的其他关键组件。 “正确地了解LISA任务的所有细节并在实验室中提前测试它们至关重要,”团队负责人Heinzel在随同工作的新闻稿中指出。 “只有这样,我们才能确保复杂的任务按计划运作。因为一旦卫星绕太阳运行,我们就无法再修改硬件了。“ 

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