اولین نتایج مسیریاب LISA نشان می‌دهد که دو جرم آزمون را می‌‌توان در حالت سقوط آزاد با شتاب نسبی قرار داد، که این شتاب نسبی به قدر کافی مستقل از نوفه بوده تا شرایط لازم برای آشکارسازی موج گرانشی فضا-محور برآورده شود.

تصور یک هنرمند از فضاپیمای مسیریاب LISA در مدار، در نقطه لاگرانژی 1. توان این مجموعه از طریق سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک بالای فضاپیما تأمین می‌شود. پیش‌راننده‌های میکرونیوتونی را می‌توان در شکل، در کنار فضاپیما دید. جرم‌های آزمون و سامانه خواندن تداخل‌سنج لیزری داخل فضاپیما کار گذاشته شده است (آژانس فضایی اروپا/ سی. کاریو)

خبری که رصدخانه تداخلی لیزری امواج گرانشی (LIGO) در فوریه 2016 منتشر کرد مبنی بر آن‌که این مرکز امواج گرانشی حاصل از ترکیب دو سیاه‌چاله را آشکارسازی کرده‌ است، بسیاری از فیزیک‌پیشگان و اعضای جامعه ستاره‌شناسی را حیرت‌زده و متعجب کرد[1]. همه چشم‌ها به سمت LIGO بود، با آن‌که مسیریاب (LPF) LISA یا همان نمایش فنی آشکارساز امواج گرانشی LISA (آنتن فضایی تداخلی لیزری) [2]به آرامی مشغول کار بود، اما به طور متقاعدکننده‌ای مسیر را برای انقلاب بعدی در زمینه امواج گرانشی موجود در فضا، که بیش از 1/5 میلیون کیلومتر از زمین فاصله دارند، هموار کرد. بعد از برنامه‌ای ۶ ماهه که با پرتاب فضاپیمایی در اوایل ماه دسامبر ۲۰۱۵ آغاز شد، گروهی که روی LPF کار می‌کنند، اولین نتایج حاصل از این پروژه را منتشر کردند[3]. به دنبال سفری ۵۰-روزه به نقطه لاگرانژی ۱ در مجموعه خورشید-زمین، LPF در مداری قرار داده شد، تا مجموعه آزمون‌های قبولی فضاپیما و کمپین دیده‌بانی آغاز شود. در این آزمون‌ها محدودیت‌هایی که دو جرم آزمون برای رسیدن به سقوط آزاد دارند، اندازه‌گیری می‌شود.

LPF به منظور آزمایش بسیاری از فن‌آوری‌های کلیدی مورد نیازِ LISA طراحی شده است. LISA امواج گرانشی با باند فرکانسی بسیار پایینتری را نسبت به LIGO هدف قرار خواهد داد (از حدود ۱۰۰ میکروهرتز تا ۱ هرتز). این سامانه نسبت به امواج گرانشی برآمده از ترکیب‌کننده‌های سیاه‌چاله‌های متوسط تا عظیم الجثه در بازه ۱۰۴ تا ۱۰۷ برابر جرم خورشید و هم چنین ترکیب‌کننده‌های سیاه‌چاله‌هایی که نسبت جرمی بسیار بالا دارند (حالتی که در آن یک سیاه‌چاله بسیار سنگین‌تر از دیگری است) حساس است. اما برای جلوگیری از منابع نوفه خارج‌شده از زمین، که به سادگی سیگنال خارج‌شده از چنین موجی را در خود محو می‌کند، نیازمند زیرساختی فضا-محور هستیم. این ترکیب‌کننده‌ها اجرای دشوار‌ترین آزمون‌های نسبیت عام را در شرایط گرانش-قوی مهیا می‌کنند.

یک موج گرانشی به لحاظ فیزیکی خود را به صورت یک تغییر شکل، ΔL/L، در دو جرم آزمون مجزا و در حال سقوط آزاد نشان می‌دهد: برای جرم‌هایی که با فاصله L از یکدیگر جدا شده‌اند، موج گرانشی عبوری در طول یک سیکل موج، به صورت دینامیکی فاصله میان جرم‌ها در یک جهت عمود بر موج انتشار، به میزان ΔL کشیده و فشرده می‌کند، در حالی که به طور هم‌زمان، فاصله در جهت عمودی دیگر، به همان مقدار ΔL فشرده و کشیده می‌شود. با اندازه‌گیری زمانی که طول می‌کشد تا نور فاصله میان دو مجموعه جرم آزمایشی مجزا را طی کند، می‌توان تغییر شکل وابسته به زمان را ثبت کرد. برای رسیدن به اهداف اخترفیزیکی، LISA نیاز دارد فاصله L، 2 میلیون کیلومتر و حساسیت به جابه‌جایی ΔL تقریباً 5*10^-11 متر در فرکانسی در محدوده نزدیک به 100 میلی‌هرتز باشد [2].

LPF تک فضاپیمایی است که جرم‌های آزمون آن به فاصله کم‌تر از یک متر از هم جدا شده‌اند، که موجب می‌شود کاملاً نسبت به تغییرشکل‌های موج گرانشی غیرحساس باشد، اما به دنبال حد و حدودی برای حساسیت جابه‌جایی می‌گردد که LISA به آن نیاز دارد و شامل سه فضاپیما است که به شکل مثلثی آرایش یافته‌اند و در جایی بسیار دورتر از زمین قرار داده شده است. مفهوم اساسی پشت LPF ساده است: دو جرم آزمون را در فضاپیما در حال سقوط آزاد قرار داده و جابه‌جایی طولی باقی‌مانده وابسته به زمان میان دوجرم را در دوره‌های زمانی چند روز تا چند هفته اندازه‌گیری می‌کنیم. از این اندازه‌گیری، به شتاب نسبی باقی‌مانده میان دو جرم و در نتیجه هرگونه تغییر در نیروهایی که روی آن‌ها عمل می‌کند، پی می‌بریم.

از آن‌جا که جرم‌های آزمون، که تقریباً مکعبی‌شکل هستند، و از آلیاژ طلا-پلاتین ساخته شده‌اند، در حال سقوط آزاد هستند، هر یک آزادند تا در سه درجه آزادی انتقالی و زاویه‌ای جابه‌جا شوند. جابه‌جایی طولی آن‌ها با استفاده از تداخل‌سنج ترکیب لیزر حس شده و کنترل می‌شود. تداخل‌سنج ترکیب لیزر روشی است که دو باریکه لیزر با فرکانس‌هایی با اختلاف جزئی را با هم ترکیب کرده (برعکس حالت تک‌باریکه) تا جابه‌جایی را با دقت بالا اندازه‌گیری کند. بقیه درجات آزادی نیز با استفاده از مجموعه‌ای از خازن‌ها که در فضاپیما جاسازی شده‌اند، اندازه‌گیری می‌شود. به ویژه، الکترودهای خازنی که هر جرم آزمون را احاطه کرده است، نزدیکی به جرم‌های آزمون را احساس کرده و ولتاژهای کنترلی اعمال می‌کنند که به آرامی به جرم‌های آزمون در حین جابه‌جایی ضربه می‌زنند و در موقعیتی دلخواه به آن زاویه می‌دهند. با اعمال نیروهایی با فرکانس‌های خارج از محدوده اندازه‌گیری و محدود کردن «حق کنترل» که بر جرم‌های آزمون اعمال می‌شوذ، این نیروها در سقوط آزاد جرم‌های آزمون با فرکانس‌های دلخواه LISA اختلالی وارد نمی‌کنند.

به هرحال، کنترل جرم‌های آزمون به تنهایی کافی نیست. LPF متکی به کنترل «بدون کشش» فضاپیما است تا این کشش‌ها را از مسیر جرم‌های آزمون دور نگاه دارد. با بررسی موقعیت فضاپیما نسبت به یکی از جرم‌های آزمون، با استفاده از پیش‌ران‌هایی که قادر به تولید نیروهای میکرونیوتونی هستند تا وضعیت فضاپیما را نسبت به جرم‌های آزمون به دقت ثابت نگه دارند، وضعیت فضاپیما (جهت‌گیری آن نسبت به چارچوب مرجع که توسط جرم‌های آزمون تعیین می‌شود) تنظیم می‌شود.

پیچیدگی حقیقی ناشی از حساسیت زیادی است که لازم است LPF در اندازه‌گیری جابه‌جایی طولی نسبی جرم‌ها و درجات آزادی مفید (البته تا حدی کمتر) داشته باشد. LISA شرایط و ملزومات زیادی برای به حداقل رساندن نیروهایی که می‌توانند در جرم‌های آزمون اختلال ایجاد کنند، اعمال می‌کند. هر نیرویی که بر جرم‌های آزمون وارد شود، جابه‌جایی‌هایی را سبب می‌شود که می‌تواند سیگنال موج گرانشی را بپوشاند. لیست مختصرشده‌ای از نیروهایی که LPF به مقابله با آن‌ها می‌پردازد، عبارت‌اند از: نیروهای حاصل از مولکول‌های به‌دام‌افتاده در فضای اطراف جرم‌های آزمون، که می‌تواند جرم‌ها را تکان دهد (میرایی گران‌رو)؛ نیروهای الکترودینامیک ناشی از انباشت بار بر جرم‌های آزمون که از پرتوهای کیهانی نشأت گرفته‌اند؛ کنترل نیروهای تحمیل‌شده از سوی محرک‌های حلقه بازخورد که نیروهای آزمون را در موقعیتی خاصی قرار می‌دهند؛ نیروهای فشار-فوتون حاصل از تغییر در توان لیزر؛ و حتی نیروهای مربوط به گرادیان‌های دینامیک میدان گرانشی که از حرکت فضاپیما به وجود می‌آید.

نتایج گزارش‌شده توسط گروه LPF شاهکار اندازه‌گیری دقیق بود. LPF به طور عمده از همه آن‌چه که لازم بود در خصوص «نوفه شتاب تفاضلی» در این مأموریت دست یابد (که ضرورتاً شتاب باقیمانده وابسته به فرکانس میان جرم‌ها است) پای خود را بسیار فراتر گذاشت. اما اثرگذارترین نتیجه آن است که LPF از آن‌چه LISA درباره نوفه در محدوده فرکانس بالا، بالای 10 میلی‌هرتز به آن نیاز داشت، فراتر رفت، و به خیلی از بازه‌های فرکانس‌های پایین (25درصد آن‌چه مورد نیاز بود) نزدیک شد.

این نتایج خیلی خوب نشان‌دهنده آینده روشن مأموریت LISA است. هرچند LISA از تکنیک‌های مختلفی برای اجرای تداخل‌سنجی استفاده می‌کند، آزمایش‌های LPF با اطمینان ثابت می‌کنند که دقت مورد نیاز LISA برای اندازه‌گیری جابه‌جایی‌های جرم-آزمون برآورده شده است و این امر زمینه را برای پیشرفت‌های بعدی در آشکارسازهای موج گرانشی فراهم می‌کند.

این پژوهش در Physical Review Letters به چاپ رسیده است.

تصحیح (8 ژوئن 2016): نسخه‌ی قبلی این مقاله واحد حد پایین باند فرکانسی مورد نظر LISA را به اشتباه میلی‌هرتز بیان کرده است. واحد صحیح میکروهرتز است.

نویسنده: David Reitze، آزمایشگاه LIGO، موسسه فن‌آوری کالیفرنیا، Pasadena، CA 91125، ایالات متحده آمریکا

منبع: Paving the Way to Space-Based Gravitational-Wave Detectors

مراجع:

[1] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger,” Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).

[2] K. Danzmann et al., LISA: Unveiling a Hidden Universe, ESA/SRE(2011)3.

[3] M. Armano et al., “Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observatories: LISA Pathfinder Results,” Phys. Rev. Lett. 116, 231101 (2016).