レーザー干渉計は、記録的な精度で衛星間の距離を測定します

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Anonim
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GRACE後続衛星モデル

GRACEグループは、昨年5月に打ち上げられた宇宙レーザー干渉計の研究について話しました。衛星の振動を補正する高精度技術のおかげで、干渉計は55。5日間連続して動作し、衛星同士の距離は220 kmでしたが、腕の長さの測定誤差はわずか0.2ナノメートルでした。 。この干渉計を使用して、衛星は地球の重力場の強さの変動を測定し、微妙な質量の動きを追跡します。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。

2002年、NASAとドイツ航空宇宙センター(DLR)は、地球の重力場の変動を高精度で測定するGRACE共同宇宙ミッションを開始しました。ミッションは、高度450 km、距離220kmの極軌道を移動する2つの同一の衛星で構成されていました。衛星は、GPS信号、加速度計、マイクロ波計器を使用して、それらを隔てる距離の変動を継続的に測定し、重力場の強さに再計算しました。マイクロ波計器のおかげで、GRACE測定誤差は数ミリメートルを超えませんでした。

衛星がどのように機能するかを理解するには、衛星が重い山をどのように通過するかを考えてください。まず、最初の衛星が山の引力の範囲に落ち、その加速度が増加し、同僚から遠ざかります。すぐに2番目の衛星も加速し始め、「逃げる」パートナーに追いつきます。その結果、相互距離は拡大を停止し、特定の限界でフリーズし、再び減少します。両方の衛星が山から十分に離れると、距離は通常に戻ります。山が重いほど、距離の変動が大きくなります。したがって、それらを十分に正確に測定すれば(そして潮汐力の補正も考慮に入れれば)、引力の質量の分布と重力場の強さを復元することができます。特に、GRACEは、地球物理学的プロセス、氷河の融解、水循環の間の質量の動きをキャプチャしました。これにより、収集したデータをさまざまな分野の何千もの作品で使用できるようになりました(少なくともミッションを主導した科学者は)。

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山の引力の測定

残念ながら、2017年9月に、衛星の1つにバッテリーの問題が発生し、ミッションを終了する必要がありました。しかし、衛星によって収集された情報の重要性を考えると、すでに2018年5月に、NASAとDLRは新しいミッションであるGRACEフォローオンを開始しました。これはGRACEとほぼ同じです。新しいミッションと古いミッションの唯一の違いは、衛星間の距離を測定する方法です。今回、科学者たちはデバイスを巨大なレーザー干渉計に変えました。これは腕の長さの変化に敏感です。理論的には、これにより測定精度を数桁向上させることができました。ただし、これまで物理学者は地上のレーザー干渉計のみを使用していたため、信頼性を確保するために、衛星には「安全な」マイクロ波距離計が装備されていました。

フィジカルレビューレターに掲載された記事の中で、GRACEグループは衛星の設計とその作業の最初の結果について語っています。各衛星に設置されたレーザー干渉計システムは、波長1064ナノメートルのネオジム(Nd:YAG)レーザー、共振光共振器、レーザー測距プロセッサ、トリプルミラー、および関連する電子機器を備えた光学ベンチで構成されています。プロセッサは信号を処理して位相差を適用し、光学ベンチはデバイス内のビームをリダイレクトし、トリプルミラーは衛星外のビーム方向を修正します。衛星の1つは「マスター」として機能します。つまり、固定周波数のレーザービームを送信し、2番目の衛星はトランスポンダーとして機能します。つまり、信号を受信し、周波数を10メガヘルツシフトして送信します。戻る。次に、両方の衛星のビームが干渉し、衛星間の距離が結果の画像から計算されます。

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2つのGRACEフォローオン衛星によって形成されたレーザー干渉計の概略図

宇宙干渉計の動作を妨げる主な問題は、衛星の震えであり、その間にレーザーの「ひも」が張られています。衛星間の平均距離が200キロメートルで、速度が時速25,000キロメートルを超えることを考えると、わずかな誤差で切断が発生します。たとえば、ビームの回転を1度補正するには、衛星を60メートルオフセットする必要があります。したがって、科学者は、干渉計の5つの自由度に関与する5つの量を同時に調整するシステムを開発する必要がありました。各衛星のピッチ角とヨー角(合計4つの角度)と2つのレーザーの周波数の差(合計4つの角度)です。精度と信頼性を高めるために、各衛星は同時にレーザー放射を生成および受信します)。

衛星の揺れを継続的に観測し、メカニズムは値の値を修正し、角度が最適値から10-4ラジアンを超えて逸脱することを許可せず、周波数を15メガヘルツ以下で逸脱させます。その結果、実験中のレーザースポットの縦方向の変位は1メートルを超えません。さらに、電子機器は常に信号を調整して、重力以外の影響(たとえば、希薄な大気での衛星のブレーキング)を考慮に入れます。

科学者によると、ビーム調整のシステムにより、打ち上げ後わずか11分で衛星をリンクし、数週間中断することなく通信を維持することができました。連続測定の最長間隔は55。5日で、その間に衛星はなんとか地球を850回周回しました。さらに、レーザー干渉法の精度はマイクロ波機器の精度の100万倍でした。今回は、衛星間の距離を測定する際の誤差は0.2ナノメートルを超えませんでした。将来的には、そのような正確な測定により、より弱い質量の動きを追跡できるようになります。

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干渉計によって測定された重力信号のスペクトル密度(青)、予想されるノイズ(青の線)、および最大許容ノイズ(緑の線)

衛星間の距離がレーザー干渉計によって測定される別のプロジェクトは、有望な重力望遠鏡LISA(レーザー干渉計宇宙アンテナ)です。この望遠鏡は、約250万キロメートルの距離にある3つの衛星で構成され、その感度は約10〜20になると予想されます。これにより、エキゾチックなコンパクトオブジェクトや暗黒物質の超軽量粒子を検索し、白色矮星の近くの惑星を調べ、重力波からハッブル定数を測定することができます。残念ながら、このような干渉計の構造は複雑であるため、科学者は2030年代半ばまでに干渉計を発売する予定です。しかし、望遠鏡のプロトタイプであるLISAパスファインダー衛星はすでにその検出技術を完成させています。

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