引力波探测丨ERZIA为“LISA探路者(Lisa Pathfinder)”“保驾护航”

引力波是爱因斯坦在广义相对论中提出的,即物体加速运动时给宇宙时空带来的扰动。同时,引力波有宇宙初生时的“啼哭”之称,它自宇宙诞生后便一直四散传播,现在可探测到的余响能量非常小,被称为“随机引力波背景”。

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引力波的主要性质

  • 是横波,在远源处为平面波
  • 有两个独立的偏振态
  • 携带能量
  • 在真空中以光速传播等

引力波携带能量,应可被探测到。但引力波的强度很弱,而且物质对引力波的吸收效率极低,直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波,但未得到公认,天文学家则通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在。

【地面探测工具:激光干涉引力波天文台“LIGO”】

激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO),是借助于激光干涉仪来聆听来自宇宙深处引力波的大型研究仪器。它由两个相距几千公里的大型激光干涉仪组成,分别位于美国路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。“LIGO”主要是利用光和空间本身的物理性质来探测引力波,是不同于电磁波的探测手段,为恒星爆炸、中子星行程,宇宙膨胀速度和测量提供有利的研究工具。

2016年2月11日探测到的引力波,这一发现被称为:“爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的拼图”,此次检测到的引力波可以说是基础物理的伟大突破。同时,对双黑洞并合的引力波的观测也证明了引力波和黑洞的存在。

资料来源于网络:“LIGO”汉福德(H1,左)和利文斯顿(L1,右)探测器所观测到的GW150914引力波事件。该图展示了在两个“LIGO”探测器中观测到的由该事件产生的引力波“应变”(见下文)如何随时间(秒)和频率(赫兹)变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒内从35赫兹迅速增加到150赫兹。GW150914先到达L1,随后到达H1,前后相差千分之七秒,该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。

LIGO”主要探测结果

【空间探测工具:欧洲引力波探测器“eLISA”】

激光干涉空间天线(Laser Interferometer Space Antenna,LISA)是一个由美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的引力波探测项目。

为节约经费,ESA项目组特研制了“LISA探路者(Lisa Pathfinder)”卫星作为技术验证探测器。其主要任务就是验证探测器内部的两个金铂立方体始终处于自由落体状态,并用激光干涉测量期间距离的微小变化的技术,来验证未来正式的“eLISA”空间引力波探测仪器将要用到的技术是否可行。

“LISA探路者(Lisa Pathfinder)”–内部两个金铂立方体(图片来源:ESA)

“LISA探路者(Lisa Pathfinder)”项目的子系统–射频放大器,ESA则交给具有资深航天技术与精湛工艺的航天产品器件品牌供应商ERZIA。ERZIA Space为此特成立研究小组,从初步设计到整体装配,严控把关每一个流程环节。

“LISA探路者(Lisa Pathfinder)”放大器工序流程
ERZIA 为“LISA探路者(Lisa Pathfinder)”提供的放大器

在此研制过程中,最难的部分要数放大器的辐射容限值保证,容限值一旦不够,精密仪器就会瞬间报废,同时,也无法为“LISA探路者(Lisa Pathfinder)”的先驱任务保驾护航。

为解决此问题,ERZIA研究小组特别设置了以下流程对辐射容限值进行一次次试验,直至满足ESA要求。

ERZIA设计–辐射保证设计和测试策略
ERZIA设计并制造–位于夹具内的放大器

克服一系列问题后,所需提供的产品器件全部通过ESA的验收标准。该卫星已于2015年12月3日发射,目前已经获得了对建设引力波太空天文台至关重要的“自由悬浮”技术,期待2034年“eLISA”探测引力波的太空之旅。

铭剑电子作为ERZIA大中华区域的总代理,可以为研究所、高校实验室提供商业航天、小卫星急需的高可靠性、高性价比航天级微波放大器、数传模组。截至2019年7月,ERZIA已经为我国多个航天项目提供多达20套飞行件,部分产品依然在外太空稳定工作中。相较同类航天放大器产品,比Tesat、NTSpace等便宜30%以上,并且不会禁运、交付周期可控。

ERZIA期待与中国商业航天一起发展,并助力国内相关微波生产单位提升航天产品质量管理水平,实现本地技术整合。

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