Група GRACE розповіла про роботу космічного лазерного інтерферометра, запущеного в травні минулого року. Завдяки високоточній техніці, що коригує коливання супутників, інтерферометр безперервно працював протягом 55,5 днів, а похибка вимірювання довжини його плеча склала всього 0,2 нанометра, хоча супутники знаходилися один від одного на відстані 220 кілометрів. За допомогою цього інтерферометра супутники будуть вимірювати коливання напруженості гравітаційного поля Землі і відстежувати ледь помітні переміщення мас. Стаття опублікована в, а коротко про неї повідомляє.
У 2002 році NASA і Німецький аерокосмічний центр (DLR) запустили спільну космічну місію GRACE, яка з високою точністю виміряла коливання гравітаційного поля Землі. Місія складалася з двох ідентичних супутників, які рухалися полярною орбітою на висоті 450 кілометрів і на відстані 220 кілометрів один від одного. За допомогою сигналів GPS, акселерометрів і мікрохвильового інструменту супутники безперервно вимірювали коливання, а потім перераховували їх в напруженість гравітаційного поля. Завдяки мікрохвильовому інструменту похибка вимірювань GRACE не перевищувала декількох міліметрів.
Щоб зрозуміти принцип роботи супутників, розглянемо, як вони проходять над важкою горою. Спочатку в сферу тяжіння гори потрапляє перший супутник, його прискорення збільшується, і він віддаляється від свого колеги. Незабаром другий супутник теж починає прискорюватися і наздоганяти напарника. У результаті взаємна відстань перестає наростати, застигає на деякій межі і знову зменшується. Коли обидва супутники досить далеко віддаляються від гори, відстань повертається до норми. Чим важче гора, тим сильніше коливання відстані; отже, якщо виміряти їх досить точно (а також врахувати поправки на приливні сили), можна відновити розподіл притягуючих мас і напруженість гравітаційного поля. Зокрема, GRACE вхопила переміщення мас при геофізичних процесах, таненні льодовиків і кругообігу води, що дозволило використовувати зібрані дані в тисячах робіт з різних областей (принаймні, так стверджують вчені, які керували місією).
На жаль, у вересні 2017 року в одного із супутників виникла проблема з батареєю, і місію довелося припинити. Однак враховуючи важливість інформації, що збирається супутниками, вже в травні 2018 року NASA і DLR запустили нову місію, GRACE Follow-On, яка практично в точності повторює GRACE. Єдина відмінність нової місії від старої - це спосіб вимірювання відстані між супутниками. Цього разу вчені перетворили апарати на гігантський лазерний інтерферометр, який чутливо реагує на зміну довжини його плеча. Теоретично це дозволяло підвищити точність вимірювань на кілька порядків. Втім, досі фізики працювали тільки з наземними лазерними інтерферометрами, тому для надійності забезпечили супутники «страхувальними» мікрохвильовими далекомірами.
У статті, опублікованій в, група GRACE розповідає про пристрій супутників і перші результати їх роботи. Система лазерної інтерферометрії, встановлена на кожному супутнику, складається з неодимового (Nd:YAG) лазера з довжиною хвилі 1064 нанометра, резонаторної оптичної порожнини, процесора лазерного далекоміру (laser ranging processor), потрійного дзеркала і оптичної лави з супутньою електронікою. Процесор обробляє сигнал і накладає на нього різність фаз, оптична лава перенаправляє промінь всередині приладу, а потрійне дзеркало коригує напрямок променя поза супутником. Один із супутників працює «господарем», тобто посилає лазерний промінь з фіксованою частотою, а другий супутник служить транспондером, тобто приймає сигнал, зрушує його частоту на 10 мегагерц і відправляє назад. Потім промені обох супутників інтерферують, а за отриманою картиною розраховується відстань між супутниками.
Основна проблема, яка заважає роботі космічного інтерферометра - це тремтіння супутників, між якими натягнута лазерна «ниточка». Враховуючи, що середня відстань між супутниками становить 200 кілометрів, а швидкість їхнього руху перевищує 25000 кілометрів на годину, найменша помилка буде призводити до розриву з'єднання. Наприклад, щоб скоригувати поворот променя на один градус, потрібно змістити супутники на 60 метрів. Тому вченим довелося розробити систему, яка одночасно підлаштовує п'ять величин, що відповідають за п'ять ступенів свободи інтерферометра: кути тангажу і рискання кожного супутника (в сумі чотири кути) і різницю між частотою двох лазерів (для збільшення точності і надійності кожен супутник одночасно генерує і приймає лазерне випромінювання).
Безперервно спостерігаючи за тремтінням супутників, механізм коригує значення величин, не даючи кутам відхилитися від оптимального значення більше, ніж на 10 − 4 радіан, а частоті - не більш ніж на 15 мегагерц. В результаті поздовжнє зміщення лазерної плями в ході експерименту не перевищує одного метра. Крім того, електроніка постійно коригує сигнал з урахуванням не-гравітаційних ефектів - наприклад, гальмування супутників про розріджену атмосферу.
За словами вчених, система коригування променів дозволила зв'язати супутники всього через 11 хвилин після запуску, а потім підтримувати зв'язок без розривів протягом декількох тижнів. Найдовший проміжок безперервних вимірювань склав 55,5 днів, протягом яких супутники встигли 850 разів обернутися навколо Землі. Крім того, точність лазерної інтерферометрії в мільйон разів перевищувала точність мікрохвильового інструменту: цього разу похибка вимірювання відстані між супутниками не перевищувала 0,2 нанометра. У майбутньому такі точні вимірювання дозволять відстежувати більш слабкі переміщення маси.
Ще один проект, в якому відстань між супутниками буде вимірювати лазерний інтерферометр - це перспективний гравітаційний телескоп LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Очікується, що цей телескоп складатиметься з трьох супутників, віддалених на відстань близько 2,5 мільйонів кілометрів, а його чутливість складе приблизно 10 − 20. Це дозволить шукати екзотичні компактні об'єкти та ультралегкі частинки темної матерії, роздивлятися планети у подвійних білих карликів і вимірювати постійну Хаббла по гравітаційних хвилях. На жаль, через складність спорудження такого інтерферометру вчені планують запустити його не раніше середини 2030-х років. Втім, прототип телескопа - супутник LISA Pathfinder, - вже зараз відточує технології детектування.