Вспомни о ЛИЗЕ


    Сейчас, когда весь мир говорит об обнаружении гравитационных волн, не хочется писать ни о чем, кроме астрономии. Тем более, что проект космической лаборатории для наблюдения гравитационных волн разрабатывается уже много лет, а спутник — технологический демонстратор уже находится в космосе и скоро приступит к наблюдениям. Его запуск прошел без особой помпы, но сейчас, как мне кажется, самое время вспомнить о зонде LISA Pathfinder.

    Запуск, полет и последние новости


    Начиная с 12 ноября зонд проходил сборку в монтажно-испытательном комплексе на космодроме Куру во Французской Гвиане и был запущен 3 декабря:



    На зонде нет оптических телескопов, это — сугубо служебное изображение со звездного датчика, полученное в рамках проверки систем

    После выведения на опорную орбиту разгонный блок в течение двух недель поднимал апогей зонда и, после шестого импульса, LISA отправилась в шестинедельное путешествие к точке Лагранжа L1 системы Солнце — Земля:


    По дороге разгонный блок был сброшен, и зонд скорректировал орбиту для того, чтобы выйти на траекторию вокруг точки L1:


    LISA Pathfinder вышел на целевую орбиту 22 января. Последняя новость — 3 февраля сняты первые фиксаторы, удерживающие два кубика из сплава золота и платины, по движению которых будут определять воздействие гравитации. В середине февраля будут сняты вторые фиксаторы и, как ожидается, зонд приступит к наблюдениям 23 февраля. Ну а чтобы понять, как эти кубики будут измерять гравитацию, расскажем подробнее про конструкцию аппарата.

    Конструкция


    Конструктивно, зонд LISA Pathfinder (Laser Interferometer Space Antenna — Космическая антенна лазерной интерферометрии) представляет собой шестиугольник из композитных панелей полной массой 1900 кг:


    Сверху вниз: солнечные панели, центральный элемент инструмента LTP в разобранном виде, корпус, разгонный блок

    Главным научным инструментом является установка под названием Lisa Test Package Core Assembly:


    По сторонам расположены два 46-мм кубика из сплава золота и платины в индивидуальных вакуумных контейнерах. Кубики отшлифованы и служат зеркалами для измерения расстояния между ними.


    Один из кубиков. Полукруглые углубления — места крепления первой системы фиксации (снята 3 февраля), пирамидальное углубление по центру — место крепления второй системы фиксации и, одновременно, точка для измерения расстояния

    По центру находится лазерный интерферометр с 22 зеркалами и делителями луча, который способен измерить перемещение кубиков на 0,01 нанометра.


    Полная масса LTP Core Assembly составляет примерно 120 кг.

    Отдельная сложная техническая задача, которую пришлось решать разработчикам, — создание системы, которая сможет выдержать тряску и вибрацию при выведении на орбиту, не потеряв точности измерений. Поэтому процесс освобождения кубиков проходит в три этапа. Сначала снимаются фиксаторы первой очереди (Caging Mechanism). Затем гораздо более точные фиксаторы второй очереди (GPRM) снимутся с точностью 200 микрометров по всем осям, сообщив кубикам скорость не больше 5 микрометров в секунду. С такой скоростью кубики смогут приблизиться к стенкам не менее чем через полчаса. При необходимости фиксаторы GPRM смогут снова зафиксировать кубики. Одновременно с высвобождением фиксаторов второй очереди включится электростатическое поле, которое подвесит кубики, не дав им коснуться стенок. Ну и, наконец, электростатическое поле будет постепенно снято, чтобы кубики повисли в максимально идеальном свободном падении.

    Однако, подвесить кубики — это только половина задачи. Дело в том, что на спутник будут воздействовать случайные силы. И даже всплеска солнечного ветра от вспышки на Солнце хватит, чтобы зонд начал двигаться относительно кубиков. Необходимо, во-первых, зафиксировать это смещение, а во-вторых скомпенсировать его реактивными микродвигателями. Для этого на Lisa Pathfinder стоят целых две системы: LTP FEEP и DRS.

    FEEP (Field Effect Electric Propulsion) — электрическая система движения с использованием полевого эффекта. Поскольку система экспериментальная, она тестирует два типа двигателей — щелевые и игольчатые:


    Игольчатые двигатели слева, щелевые — справа

    В щелевом двигателе используется полевая эмиссия разогретого до точки плавления цезия (≈ 29ºC). В игольчатых двигателях используется расплавленный индий (≈ 156ºC). Оба двигателя дают тягу, измеряемую в микрограммах, и их общая тяга сравнима с весом комара.

    DRS (Disturbance Reduction System) — эта система досталась зонду от NASA. Из-за бюджетных ограничений NASA, она не имеет своих сверхточных акселерометров и будет использовать данные LTP. Двигатели сравнимы по тяге с FEEP, но используют в качестве рабочего тела ионную жидкость.


    Двигатели DRS

    По плану полета спутник должен проработать 180 дней — 90 дней на LTP FEEP, 60 дней на DRS (на своих менее точных датчиках) и 30 дней совместной работы, когда LTP будет управлять двигателями DRS. Впрочем, запасы рабочего тела двигателей должны будут позволить продлить срок активной жизни.

    Вся эта сложнейшая и точнейшая техника нужная для того, чтобы фиксировать перемещения кубиков на нанометры, при этом максимально изолируя их от всех возможных помех. Как вы уже, наверное, слышали, гравитационные волны фиксируют именно по такому небольшому смещению масс.

    eLISA


    LISA Pathfinder — это технологический демонстратор. Полноценный детектор, который назвали Evolved LISA (eLISA) должен будет состоять из трех спутников и, кроме сверхточного измерения смещения тестовых масс, должен будет еще измерять с очень высокой точностью расстояние между спутниками:


    Зато в космосе не будет проблемы обеспечить большое расстояние между отдельными спутниками. Для этого проекта оно оценивается от 1 до 5 миллионов километров, чего, очевидно, нельзя достичь на Земле. Двигаясь по орбите, треугольник из зондов будет менять свою плоскость и сможет фиксировать гравитационные волны с разных направлений:



    Подобный детектор сможет зафиксировать вращение компактных двойных звезд, падение звезд в черные дыры, вращение двойных черных дыр из соседних галактик, а также, возможно, позволит заглянуть в молодую Вселенную, когда материя еще не пропускала свет (согласно современным представлениям Вселенная стала прозрачной для фотонов 380 тысяч лет спустя после Большого взрыва). Есть даже спекуляции, что он сможет подтвердить теорию струн.

    Отдельным плюсом детектора eLISA станет то, что он будет работать на другой частоте, нежели наземный детектор LIGO, что дополнит его наблюдения.



    Одна беда — по текущим планам развертывание созвездия спутников eLISA запланировано на 2034 год. Остается только надеяться, что недавний успех в обнаружении гравитационных волн позволит увеличить финансирование и запустить детектор раньше.

    P.S. Небольшое объявление для уфимцев — моя следующая лекция будет в Уфимском планетарии 26 февраля. Тема — внешняя Солнечная система, от пояса астероидов и до таинственной девятой планеты.
    Поделиться публикацией
    Комментарии 44
      0
      путешествие к точке Лагранжа L1 системы Солнце — Земля

      Чем обусловлен выбор такого положения аппарата?
        +1
        Недалеко от Земли и минимум возмущений. Нет атмосферы, неровностей гравитационного поля планеты и т.п.
          +5
          А почему не L2?
            –1
            А возмущения со стороны Солнца и прочих небесных объектов? В L1 Солнце перестает влиять на спутник, точнее, Земля будет уравновешивать это влияние.
              +5
              Точки похожие, не удивлюсь если одной из причин было наличие в L2 телескопа Gaia. Чтобы одними антеннами получать данные по очереди. Серьезных аргументов за именно первую точку я не видел в источниках.
                0
                Тогда да, если одна наземная станция связи должна обслуживать два аппарата, то логичнее их разнести по разные стороны планеты.
                  0
                  наличие в L2 телескопа Gaia

                  Чем это может препятствовать?
                  spaceflight101.com/gaia/gaia-mission-orbit-design

                  A Lissajous Orbit describes a Lissajous Curve around the Libration Point… The orbit period is about 180 days and the size of the orbit is 263,000 x 707,000 x 370,000 km.
                  http://blogs.esa.int/gaia/2013/09/06/gaia-goes-to-l2-whats-an-ell-two/

                  Много ли данных будет генерировать LISA Pathfinder? (7 kbit/s X band)
                  Gaia выдает около "3-8Mbit/s download (X Band)" на "ESA's two most sensitive ground stations, the 35 m diameter radio dishes in Cebreros, Spain, and New Norcia, Australia"
                  Для LISA Pathfinder планируют использовать следующие станции: http://blogs.esa.int/rocketscience/2015/12/07/getting-to-where-we-want-to-go-lisa-pathfinders-journey/

                  Initially, LPF is using ESA’s 15m tracking stations in Perth, Australia, Maspalomas, Spain, and Kourou, French Guiana. Once it is more than about 50 000 from Earth, it will use the three 35m deep-space tracking stations in Spain, Australia and Argentina. Read more about ESA’s Estrack network.
                    +1
                    В двух списках у вас два телескопа совпадают.
                    +4
                    Есть такой аргумент:
                    http://arxiv.org/pdf/gr-qc/0411071.pdf M Landgraf, Mission design for LISA Pathfinder 15 Nov 2004

                    For LISA Pathfinder the Sun-ward Lagrange point L1 is selected in order to facilitate
                    spacecraft design with the solar panel on one side and the antenna on the other.
                    +1
                    Там темно, а здесь вроде бы есть солнечная панель. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/l/lisa-pathfinder
                      +1
                      Не очень уж там и темно (вряд ли темнее более чем на единицы процентов) — полная тень до L2 не доходит. Вот условная схема:

                      image
                      Gaia отправили в окрестности L2 с панелью. В не самые близкие окрестности — "The orbit period is about 180 days and the size of the orbit is 263,000 x 707,000 x 370,000 km." — http://spaceflight101.com/gaia/gaia-mission-orbit-design/
                      PS Спасибо за ссылку, у eoportal как обычно множество подробностей.
                        +2
                        Полной тени в Sun-Earth L2 уже нет (1.5 млн км)
                        http://www.astronomy.ohio-state.edu/~pogge/Ast161/Unit2/eclipses.html

                        The Earth's umbra is ~1.4 Million km long:
                        About 3.7x the mean Earth-Moon distance.
                        Umbra's width is 9000 km at the distance of the Moon, or ~2.6x the Moon's diameter.

                        Однако gaia держится подальше от полутени, для нее вход туда обернется тепловым шоком: http://spaceflight101.com/gaia/gaia-mission-orbit-design/

                        The biggest constraint for the Gaia mission, and the most important aspect of orbit design, is solar illumination. As the L2 point is located “behind” Earth and rotates along with Earth, the planet constantly casts a shadow at a spherical zone of 13,000 Kilometers.

                        Gaia can not afford to enter eclipse during its mission because it would cause a significant thermal shock to the system that would render the observatory useless. That is why Gaia has to avoid the Penumbra Zone for the duration of the science mission and extended mission. The initial orbital parameters of Gaia have been chosen so that the Lissajous Orbit evolves in a way that avoids a solar eclipse for 6.3 years which is long enough for the primary and extended Gaia mission. Placing the Gaia spacecraft close to the eclipse zone during insertion prevents the occurrence of an eclipse during the mission, the father away the initial position is from the Penumbra Zone, the quicker an eclipse occurs in the mission.
                +2
                Спасибо, очень интересно!
                  +1
                  На здоровье :)
                  +1
                  Меня вот что впечатляет: рядом с Землей будет вращаться огромный, гигантский треугольник из лазерных лучей, с размахом в миллионы километров, сопоставимый со всей орбитой Земли. Астроинженерия, однако!
                    +1
                    Три спутника массой 2 тонны с лазерными дальномерами — это не астроинженерия, увы.
                      0
                      Я только представил себе, какое зрелище было, если бы лазерные лучи в космосе сами светились, как в фильмах: огромный, на пол-неба, ярко-красный треугольник вокруг Солнца… Хочу в 34-й! И чтобы Уэбба вывели.
                        +1
                        Если бы лазерные лучи в космосе "сами светились" — то они бы не добивали на 1-5млн км. Хотя да, зрелище было бы красивым.

                        Однако, быть может, рассеяние лазеров на солнечном ветре будет достаточным, чтобы его засечь какими-нибудь фотоумножителями. И тогда можно будет посмотреть реальную, а не модельную, картинку с лазерами в космосе.
                    0
                    спасибо. картинки только хотелось бы получше качеством.
                      0
                      Такие были в источнике, увы. Я пытался искать по картинке но ничего путного не нашел.
                      0
                      Интересно а чисто теоретически возможно ли создания детектора, позволяющего построить круговую или шаровую диаграмму распределения воздействия, не столько эпичных размеров и может поменьше. А то тогда бы наверно можно было бы получить что-то вроде радара и по нему определить движение Крупных планет, а на основе задержек при получении сигнала и оптического сравнения судить по соотношению задержек о скорости распространения
                        0
                        Как я понимаю, гравитационные волны не быстрее света. Была сенсация несколько лет назад якобы сумели обнаружить что гравитация быстрее, но потом все заглохло, похоже, просто ошиблись в расчетах.
                          0
                          Ну насколько понимаю, волна это еще не само гравитационное взаимодействие, а некоторое возмущение пространства времени вызванное гравитацией.
                            0
                            Учитывая, что "некоторое возмущение пространства времени" и есть гравитация (привет от Энштейна и его ОТО), можно говорить, что волна — это вид гравитационного воздействия.
                            0
                            Чисто гипотетически возможно подобрать такое взаимодействие гравитирующих объектов, что гравитационные волны от них с точки зрения внешнего наблюдателя будут распространяться быстрее скорости света. Шутка в том, что гравитация искривляет само пространство, и свет через это искривленное пространство будет добираться дольше, чем сама «рябь пространства-времени». И вообще, как правильно нужно считать расстояние от точки А до точки Б, если «линейка», если меняется само пространство?
                            В общем, все сложно.
                              +1
                              Нельзя. Гравитационные волны будут добираться через искривленное пространство тоже медленнее (с точки зрения внешнего наблюдателя).

                              В теориях относительности расстояния предпочитают вообще не измерять. Измеряют время, которое требуется для прохождения света по траектории, и расставляют линейки по результатам. И не забывают, что в разных точках пространства время течет по-разному, а "одновременность" событий вообще зависит от наблюдателя.
                                0
                                Я что-то запутался. Гравитационные волны будут добираться через искривленное пространство или же будут являться искривлением пространства?
                                И еще один момент, который я не до конца понимаю. Как смогли слиться две черные дыры, если при приближении к горизонту событий с нашей точки зрения их время должно остановиться и они должны "залипнуть" на горизонтах событий друг друга? Или нам просто удобнее начать с определенного момента считать их одной черной дырой?
                                  0
                                  Гравитационные волны и есть искривление пространства. Так же как волны на воде: каков точный уровень воды в море, если по нему все время волны ходят? Есть рябь, а есть средний уровень. Быстрее света в данном потенциале гравитационные волны двигаться не могут: они переносят энергию. Медленнее — вряд ли, нелогично получается.

                                  Когда говорят, что объект никогда не достигнет черной дыры, имеется в виду, что внешний наблюдатель никогда не сможет этого увидеть: объект уже давно пройдет за горизонт, а фотоны света, излученные им у самого горизонта и несущие последний привет, будут выбираться из окрестностей дыры тысячелетиями. Время падения же для самого объекта — вполне конечное.

                                  Так же и дыры: в первом приближении можно считать, что одна падает на другую. Все займет конечное время, которое и было рассчитано. Самих дыр мы все равно не увидим, а вот их окрестности (аккреционный диск) после слияния сольются и перестроятся заметным образом, превратившись в обычные окрестности одинарной черной дыры.
                                    +1
                                    Есть рябь, а есть средний уровень. Быстрее света в данном потенциале гравитационные волны двигаться не могут: они переносят энергию.

                                    Блин, сложно правильно сформулировать вопрос. Тут меня вот что интересует: если гравитационная волна идет со скоростью света и искривляет собой пространство, то луч света идет по этому уже искривленному волной пространству. Чисто гипотетически, если в момент слияния черные дыры произведут вспышку света (например джетом плюнут), то придет ли этот свет одновременно с волнами, порожденными слиянием.

                                    объект уже давно пройдет за горизонт, а фотоны света, излученные им у самого горизонта и несущие последний привет, будут выбираться из окрестностей дыры тысячелетиями.

                                    А гравитационные волны? Они тоже будут тысячелетиями выбираться?
                                      +1
                                      > придет ли этот свет одновременно с волнами, порожденными слиянием.

                                      С точки зрения фотона нет понятия «расстояние», так как для него оно тождественно равно нулю (в силу лоренцева сокращения длин), хоть в неискривлённом пространстве, хоть в искривлённом. Поэтому он по-любому придёт первым в любую достижимую точку — ибо события «испускания» и «поглощения» фотона одновременны в релятивистском смысле. Гравитационным волнам пришлось бы нарушить причинность (быть замечеными раньше, чем быть испущенными), чтобы оказаться быстрее фотона.

                                      > А гравитационные волны? Они тоже будут тысячелетиями выбираться?

                                      Да, те возмущения пространства, что происходят непосредственно вблизи горизонта событий, будут долго выбираться, и вдобавок получат огромное «красное» смещение, т.е. в пределе превратятся в обычное статическое поле тяготения. Иначе говоря, получить информацию о внутреннем устройстве ЧД (т.е. о распределении и движении масс) через гравитационные волны не получится, равно как не выйдет извлечь энергию ЧД с помощью гравитационных волн.

                                      Наблюдаемые же гравитационные волны пришли из области достаточно удалённой от горизонта событий.
                              0
                              А это не OPERA была со сверхсветоскоростными (на самом деле — нет) нейтрино?
                              en.wikipedia.org/wiki/OPERA_experiment
                              0
                              Можно построить кучу детекторов вокруг всего земного шара. Ну или, что проще, запустить кучу спутников с лазерными дальномерами. Тогда мы будем прослеживать прохождение волн почти в реальном времени.
                              0
                              Иридий или индий?
                                0
                                Индий, да, опечатка, вечером поправлю
                                0
                                расплавленный иридий (≈ 156ºC)
                                Где-то ошибка или опечатка — у иридия температура плавления около 2500ºC.
                                  0
                                  Индий там должен был быть.
                                  0
                                  Подскажите, почему они вывели спутник на такую большую орбиту вокруг точки Лагранжа? Если я правильно понимаю, на поддержание этой орбиты нужно расходовать топливо, а в самой точке совсем не пришлось бы его тратить (в идеале, конечно).
                                    +2
                                    Идеал недостижим же. Равновесие в точке Лагранжа неустойчивое, и надо будет все равно тратить топливо. А на этой траектории одна коррекция за оборот (он, кстати, 180 дней, ровно столько же сколько и планируемый срок работы).
                                      0
                                      Спасибо за пояснение, я по видео неправильно понял. Думал, что орбита лежит в плоскости эклиптики, а она как раз перпендикулярна ей. Вот более наглядный вариант https://en.wikipedia.org/wiki/Lissajous_orbit.
                                      0
                                      Полностью рабочий инструмент (интерферометр) все-равно же будет невозможно разместить в самой точке — просто потому, что между 3 спутниками его составляющими должно быть по несколько миллионов километров (и в идеале — чем больше будет это расстояние, тем лучше).
                                      Так что смысла пытаться разместить 1 из 3х спутников максимально точно в точке равновесия нет — 2 остальных в любом случае окажутся весьма далеко от нее и нужно будет просчитывать какую-то стабильную орбиту вокруг этой точки по которой могли бы двигаться эти спутники (причем сохраняя неизменное расстояние друг до друга) и периодически ее корректировать.
                                      0
                                      Что-то не понял — судя по приведенной графике схему изменили? В ранних презентациях же был "замкнутый треугольник", т.е. не было начального, конечного и углового(центрального) спутника, а все 3 были относительно равноправными (каждый соединен лучом лазера с каждым).
                                      И вместо 1 интерферометра с 2 плечами, получалось фактически сразу 3, что позволило бы не только детектировать грав. волны, но определять точное направление на их источник аналогично триангуляции.

                                      А так это будет просто детектор — да, сигнал поймали — такой-то частоты и мощности, но откуда он пришел никакого представления даже?
                                      Какие-то сложности с исходной схемой всплыли? Или просто финансирование урезали и хватает только на такой упрощенный вариант?
                                        0
                                        Наверное, есть два варианта — треугольник и L-форма, как на LIGO. В данном конкретном случае, когда я искал иллюстрации у L-формы оказался самая красивая.
                                        –1
                                        Кубики со стороной 46мм из сплава платины и золота… н-да, по 2 кг каждый… Как же все-таки будет происходить такое движение спутников — вокруг точки лагранжа? Какая сила будет заставлять спутник описывать орбиту?
                                        А вообще, неужели в космосе так все стабильно, что будет обнаружено смещение масс на 10-20см от гравитационной волны? Неужели влияние солнечного ветра на аппарат будет компенсировано с бОльшей точностью? И вот еще, оказывается в сфере радиусом около 5МПс события типа слияние черных дыр происходят не часто.
                                          +1
                                          Схема орбиты есть во втором видео.

                                          Перечитайте часть про микродвигатели, они нужны именно для того, чтобы парировать очень слабые внешние возмущения и чтобы кубики не коснулись стенок.

                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                        Самое читаемое