Trouver les plus grosses collisions de l'univers prend du temps, patience, et des lasers super stables.

En mai, Des spécialistes de la NASA travaillant avec des partenaires industriels ont livré le premier prototype de laser pour l'antenne spatiale interféromètre laser dirigée par l'Agence spatiale européenne, ou LISA, mission. Cet instrument laser unique est conçu pour détecter les ondulations révélatrices dans les champs gravitationnels causées par les fusions d'étoiles à neutrons, trous noirs, et des trous noirs supermassifs dans l'espace.

Anthony Yu au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, dirige le développement de l'émetteur laser pour LISA.

"Nous développons un laser très stable et robuste pour l'observatoire LISA, ", a déclaré Yu. "Nous avons tiré parti des enseignements tirés des missions précédentes et des dernières technologies en matière de conditionnement photonique et d'ingénierie de la fiabilité. Maintenant, pour répondre aux exigences LISA exigeantes, La NASA a développé un système qui produit un émetteur laser en utilisant un laser de faible puissance amélioré par un amplificateur à fibre optique."

L'équipe s'appuie sur la technologie laser utilisée dans l'expérience de récupération de la gravité et du climat de la NASA, ou GRÂCE, mission. "Nous avons développé une version plus compacte en tant qu'oscillateur maître, " Yu a dit. " Il a une taille beaucoup plus petite, poids, et la consommation d'énergie pour permettre un oscillateur maître entièrement redondant pour les exigences de longue durée de vie."

Le prototype du laser LISA est un laser de 2 watts fonctionnant dans le proche infrarouge du spectre. "Notre laser est environ 400 fois plus puissant que le pointeur laser typique qui émet environ 5 milliwatts ou moins, " Yu dit. " La taille du module laser, sans compter l'électronique, représente environ la moitié du volume d'une boîte à chaussures typique."

Le Centre suisse d'électronique et de microtechnique (CSEM), dont le siège est à Neuchâtel, La Suisse, a confirmé la réception des lasers et commencera à tester leur stabilité.

LISA sera composé de trois engins spatiaux suivant la Terre dans son orbite autour du Soleil et volant en formation de précision, avec 1,5 million de miles (2,5 millions de kilomètres) séparant chacun d'eux. Chaque vaisseau spatial pointera en continu deux lasers sur ses homologues. Le récepteur laser doit être sensible à quelques centaines de picowatts de puissance de signal, car le faisceau laser s'étendra sur environ 20 kilomètres au moment où il atteindra son vaisseau spatial cible. Un signal time-code embarqué dans les faisceaux permet à LISA de mesurer la moindre interférence dans ces transmissions.

Des ondulations dans le tissu de l'espace-temps aussi petites qu'un picomètre – 50 fois plus petites qu'un atome d'hydrogène – produiront un changement détectable dans les distances entre les engins spatiaux. La mesure de ces changements donnera aux scientifiques l'échelle générale de ce qui est entré en collision pour produire ces ondulations et une idée de l'endroit dans le ciel pour viser d'autres observatoires à la recherche d'effets secondaires.

Ces fluctuations d'ondes gravitationnelles sont si faibles qu'elles seraient masquées par des forces externes telles que les impacts de poussière et la pression de rayonnement de la lumière solaire sur le vaisseau spatial. Pour atténuer cela, le concept de contrôle sans traînée - démontré lors de la mission LISA Pathfinder en 2015 - utilise des masses d'essai flottantes abritées à l'intérieur de chaque engin spatial comme points de référence pour la mesure.

LISA étend les travaux du Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) de la National Science Foundation, qui a capturé son premier enregistrement d'ondes gravitationnelles en 2015. Depuis lors, la paire d'observatoires au sol à Hanford, Washington, et Livingston, Louisiane, ont capturé quatre douzaines de fusions.

Thomas Hams, scientifique du programme LISA au siège de la NASA à Washington, a déclaré que les mesures laser de précision nous permettront de zoomer sur les signatures d'ondes gravitationnelles de ces fusions et permettront à d'autres observatoires de se concentrer sur la bonne partie du ciel pour capturer ces événements dans le spectre électromagnétique.

Le télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA a capté la première observation multimessager de ce type quelques secondes seulement après que LIGO a détecté une fusion de deux étoiles à neutrons par le biais d'ondes gravitationnelles.

"Avec LISA, l'espoir est que vous pourrez voir ces choses se développer avant que la fusion ne se produise réellement, " a dit Hams. " Il y aura un indicateur que quelque chose arrive. "

Partenariat industriel

Pour obtenir la stabilité requise, l'équipe a amené Fibertek Inc. à Herndon, Virginie, et Avo Photonics Inc. à Horsham, Pennsylvanie, développer le laser, oscillateur, et amplificateur de puissance, et un ingénieur optique indépendant à San Jose, Californie.

Avo Photonics a construit le laser pour l'observatoire.

« Ici, vous avez les défis des besoins de robustesse spatiale, en plus des exigences de tolérance d'alignement optique de niveau submicronique. Ceux-ci poussent vraiment votre optique, thermique, et des côtelettes de conception mécanique, » a déclaré le président d'Avo Photonics, Joseph L. Dallas. « De plus, la largeur de trait étroite, faible bruit, et la stabilité globale nécessaire à cette mission est sans précédent."

Le pionnier de la photonique Tom Kane a inventé la technologie d'oscillateur laser monolithique que Goddard utilisait pour stabiliser la fréquence de la lumière laser. "Votre laser moyen peut être très salissant, " a déclaré Kane. "Ils peuvent se promener tout autour de leur fréquence cible. Vous avez besoin d'un laser « silencieux » qui a exactement une longueur d'onde et un faisceau parfait jusqu'à 15 décimales de précision. »

Sa technologie d'oscillateur utilise des boucles de rétroaction pour maintenir le laser à une telle précision. "La longueur d'onde finit par devenir la règle de ces distances incroyables, " a déclaré Kane.

La haute puissance, amplificateur à faible bruit est venu de Fibertek.

Fibertek a également contribué au satellite Ice Cloud and Land Elevation (ICESat) 2 de la NASA et au Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation (CALIPSO), qui exploite un laser pointé vers la Terre depuis 15 ans.

Y compris le temps des tests au sol et les éventuelles extensions de mission, Les lasers de LISA doivent fonctionner sans sauter un hertz jusqu'à 16 ans, dit Yu de Goddard.

« Une fois lancé, ils devront être opérationnels 24h/24 et 7j/7 pendant cinq ans pour la mission initiale, avec une possibilité de six à sept ans de mission prolongée après cela, " Expliqua Yu. " Nous avons besoin qu'ils soient stables et silencieux. "