Att hitta de största kollisionerna i universum tar tid, tålamod, och superstabila lasrar.

I maj, NASA-specialister som arbetar med industripartners levererade den första prototypen av lasern till den europeiska rymdorganisationen-ledda laserinterferometerns rymdantenn, eller LISA, uppdrag. Detta unika laserinstrument är designat för att upptäcka de avslöjande krusningarna i gravitationsfält som orsakas av sammanslagningar av neutronstjärnor, svarta hål, och supermassiva svarta hål i rymden.

Anthony Yu vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, leder utvecklingen av lasersändare för LISA.

"Vi utvecklar en mycket stabil och robust laser för LISA-observatoriet, " sade Yu. "Vi har utnyttjat lärdomar från tidigare uppdrag och den senaste tekniken inom fotonikförpackning och tillförlitlighetsteknik. Nu, för att möta de utmanande LISA-kraven, NASA har utvecklat ett system som producerar en lasersändare genom att använda en lågeffektlaser förstärkt med en fiberoptisk förstärkare."

Teamet bygger vidare på lasertekniken som används i NASA:s Gravity Recovery and Climate Experiment, eller GRACE, uppdrag. "Vi utvecklade en mer kompakt version som en masteroscillator, " sa Yu. "Den har mycket mindre storlek, vikt, och strömförbrukning för att möjliggöra en helt redundant masteroscillator för långvariga livslängdskrav."

LISA-laserprototypen är en 2-watts laser som arbetar i den nära-infraröda delen av spektrumet. "Vår laser är cirka 400 gånger kraftfullare än den typiska laserpekaren som avger cirka 5 milliwatt eller mindre, " sa Yu. "Lasermodulens storlek, inte inklusive elektronik, är ungefär hälften så stor som en vanlig skokartong."

Swiss Centre for Electronics and Microtechnology (CSEM), med huvudkontor i Neuchâtel, Schweiz, bekräftade mottagandet av lasrarna och kommer att börja testa dem för stabilitet.

LISA kommer att bestå av tre rymdfarkoster som följer jorden i dess bana runt solen och flyger i en precisionsformation, med 1,5 miljoner miles (2,5 miljoner kilometer) som skiljer var och en. Varje rymdfarkost kommer kontinuerligt att rikta två lasrar mot sina motsvarigheter. Lasermottagaren måste vara känslig för några hundra pikowatts signalstyrka, eftersom laserstrålen kommer att spridas till cirka 12 miles (20 kilometer) när den når sin målfarkost. En tidskodsignal inbäddad i strålarna gör att LISA kan mäta den minsta störning i dessa sändningar.

Krusningar i rymdtidens väv så små som en piometer – 50 gånger mindre än en väteatom – kommer att producera en detekterbar förändring i avstånden mellan rymdfarkosterna. Att mäta dessa förändringar kommer att ge forskare den allmänna omfattningen av vad som kolliderade för att producera dessa krusningar och en idé om var på himlen de ska rikta andra observatorier som letar efter sekundära effekter.

Dessa gravitationsvågfluktuationer är så små att de skulle skymmas av yttre krafter som dammstötar och strålningstrycket från solljus på rymdfarkosten. För att mildra detta, det dragfria kontrollkonceptet – demonstrerat på LISA Pathfinder-uppdraget 2015 – använder fritt flytande testmassor skyddade inuti varje rymdfarkost som referenspunkter för mätningen.

LISA utökar arbetet med National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som fångade sin första inspelning av gravitationsvågor 2015. Sedan dess paret markbaserade observatorier i Hanford, Washington, och Livingston, Louisiana, har fångat fyra dussin fusioner.

Thomas Hams, programforskare för LISA vid NASA:s högkvarter i Washington, sa att precisionslasermätningarna kommer att tillåta oss att zooma in på gravitationsvågens signaturer för dessa sammanslagningar och göra det möjligt för andra observatorier att fokusera på den högra delen av himlen för att fånga dessa händelser i det elektromagnetiska spektrumet.

NASA:s Fermi Gamma-ray rymdteleskop plockade upp den första sådana multibudbärarobservationen bara sekunder efter att LIGO upptäckt en sammanslagning av två neutronstjärnor genom gravitationsvågor.

"Med LISA, förhoppningen är att du kommer att kunna se dessa saker utvecklas innan sammanslagningen faktiskt sker, " sa Hams. "Det kommer att finnas en indikator på att något är på väg."

Industripartnerskap

För att uppnå den stabilitet som krävs, laget tog med Fibertek Inc. i Herndon, Virginia, och Avo Photonics Inc. i Horsham, Pennsylvania, att utveckla lasern, oscillator, och effektförstärkare, och en oberoende optisk ingenjör i San Jose, Kalifornien.

Avo Photonics byggde lasern för observatoriet.

"Här har du utmaningarna med rymdburna behov av robusthet, ovanpå submikronnivå optiska inriktningstoleranskrav. Dessa pressar verkligen din optik, termisk, och mekanisk design kotletter, " Avo Photonics president Joseph L. Dallas sa. "Dessutom, den smala linjebredden, lågt ljud, och den övergripande stabiliteten som behövs för detta uppdrag är oöverträffad."

Fotonikpionjären Tom Kane uppfann den monolitiska laseroscillatorteknologin som Goddard använde för att stabilisera laserljusets frekvens. "Din genomsnittliga laser kan vara väldigt rörig, " Sa Kane. "De kan vandra runt sin målfrekvens. Du behöver en "tyst" laser som har exakt en våglängd och en perfekt stråle med en noggrannhet på 15 decimaler."

Hans oscillatorteknik använder återkopplingsslingor för att hålla lasern brinnande med sådan precision. "Våglängden slutar med att bli härskaren för dessa otroliga avstånd, " sa Kane.

Den höga kraften, lågbrusförstärkare kom från Fibertek.

Fibertek bidrog också till NASA:s Ice Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) 2 och Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO), som har använt en laser riktad mot jorden i 15 år.

Inklusive tid för testning på marken och potentiella uppdragsförlängningar, LISA:s lasrar måste fungera utan att hoppa över en hertz i upp till 16 år, Sa Goddards Yu.

"När den väl har lanserats, de kommer att behöva vara i drift dygnet runt i fem år för det första uppdraget, med en möjlig sex till sju år av utökat uppdrag efter det, " förklarade Yu. "Vi behöver att de är stabila och tysta."