Лазерный интерферометр измерил расстояние между спутниками с рекордной точностью
Группа GRACE рассказала о работе космического лазерного интерферометра, запущенного в мае прошлого года. Благодаря высокоточной технике, корректирующей колебания спутников, интерферометр непрерывно работал в течение 55,5 дней, а погрешность измерения длины его плеча составила всего 0,2 нанометра, хотя спутники находились друг от друга на расстоянии 220 километров. С помощью этого интерферометра спутники будут измерять колебания напряженности гравитационного поля Земли и отслеживать едва заметные перемещения масс. Статья опубликована в Physical Review Letters, а кратко о ней сообщает Physics.
В 2002 году NASA и Германский аэрокосмический центр (DLR) запустили совместную космическую миссию GRACE, которая с высокой точностью измерила колебания гравитационного поля Земли. Миссия состояла из двух идентичных спутников, которые двигались по полярной орбите на высоте 450 километров и на расстоянии 220 километров друг от друга. С помощью сигналов GPS, акселерометров и микроволнового инструмента спутники непрерывно измеряли колебания разделявшего их расстояния, а потом пересчитывали их в напряженность гравитационного поля. Благодаря микроволновому инструменту погрешность измерений GRACE не превышала нескольких миллиметров.
Чтобы понять принцип работы спутников, рассмотрим, как они проходят над тяжелой горой. Сначала в сферу притяжения горы попадает первый спутник, его ускорение увеличивается, и он отдаляется от своего коллеги. Вскоре второй спутник тоже начинает ускоряться и догонять «убежавшего» напарника. В результате взаимное расстояние перестает нарастать, застывает на некотором пределе и снова уменьшается. Когда оба спутника достаточно далеко удаляются от горы, расстояние возвращается к норме. Чем тяжелее гора, тем сильнее колебания расстояния; следовательно, если измерить их достаточно точно (а также учесть поправки на приливные силы), можно восстановить распределение притягивающих масс и напряженность гравитационного поля. В частности, GRACE ухватила перемещение масс при геофизических процессах, таянии ледников и круговороте воды, что позволило использовать собранные данные в тысячах работ из самых разных областей (по крайней мере, так утверждают ученые, руководившие миссией).
К сожалению, в сентябре 2017 года у одного из спутников возникла проблема с батареей, и миссию пришлось прекратить. Однако учитывая важность информации, собираемой спутниками, уже в мае 2018 года NASA и DLR запустили новую миссию, GRACE Follow-On, которая практически в точности повторяет GRACE. Единственное отличие новой миссии от старой — это способ измерения расстояния между спутниками. На этот раз ученые превратили аппараты в гигантский лазерный интерферометр, который чутко реагирует на изменение длины его плеча. Теоретически это позволяло повысить точность измерений на несколько порядков. Впрочем, до сих пор физики работали только с наземными лазерными интерферометрами, поэтому для надежности снабдили спутники «страховочными» микроволновыми дальномерами.
В статье, опубликованной в Physical Review Letters, группа GRACE рассказывает об устройстве спутников и первых результатах их работы. Система лазерной интерферометрии, установленная на каждом спутнике, состоит из неодимового (Nd:YAG) лазера с длиной волны 1064 нанометра, резонаторной оптической полости, процессора лазерного дальномера (laser ranging processor), тройного зеркала и оптической скамьи с сопутствующей электроникой. Процессор обрабатывает сигнал и накладывает на него разность фаз, оптическая скамья перенаправляет луч внутри прибора, а тройное зеркало корректирует направление луча вне спутника. Один из спутников работает «хозяином», то есть посылает лазерный луч с фиксированной частотой, а второй спутник служит транспондером, то есть принимает сигнал, сдвигает его частоту на 10 мегагерц и отправляет обратно. Затем лучи обоих спутников интерферируют, а по получившейся картине рассчитывается расстояние между спутниками.
Основная проблема, которая мешает работе космического интерферометра — это дрожание спутников, между которыми натянута лазерная «ниточка». Учитывая, что среднее расстояние между спутниками составляет 200 километров, а скорость их движения превышает 25000 километров в час, малейшая ошибка будет приводить к разрыву соединения. Например, чтобы скорректировать поворот луча на один градус, нужно сместить спутники на 60 метров. Поэтому ученым пришлось разработать систему, которая одновременно подстраивает пять величин, отвечающих за пять степеней свободы интерферометра: углы тангажа и рысканья каждого спутника (в сумме четыре угла) и разницу между частотой двух лазеров (для увеличения точности и надежности каждый спутник одновременно генерирует и принимает лазерное излучение).
Непрерывно наблюдая за дрожанием спутников, механизм корректирует значение величин, не давая углам отклониться от оптимального значения больше, чем на 10−4 радиан, а частоте — не более чем на 15 мегагерц. В результате продольное смещение лазерного пятна в ходе эксперимента не превышает одного метра. Кроме того, электроника постоянно корректирует сигнал с учетом не-гравитационных эффектов — например, торможения спутников о разреженную атмосферу.
По словам ученых, система корректировки лучей позволила связать спутники всего через 11 минут после запуска, а затем поддерживать связь без разрывов на протяжении нескольких недель. Самый длинный промежуток непрерывных измерений составил 55,5 дней, в течение которых спутники успели 850 раз обернуться вокруг Земли. Кроме того, точность лазерной интерферометрии в миллион раз превышала точность микроволнового инструмента: на этот раз погрешность измерения расстояния между спутниками не превышала 0,2 нанометра. В будущем такие точные измерения позволят отслеживать более слабые перемещения массы.
Еще один проект, в котором расстояние между спутниками будет измерять лазерный интерферометр — это перспективный гравитационный телескоп LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Ожидается, что этот телескоп будет состоять из трех спутников, удаленных на расстояние порядка 2,5 миллионов километров, а его чувствительность составит примерно 10−20. Это позволит искать экзотические компактные объекты и ультралегкие частицы темной материи, разглядывать планеты у двойных белых карликов и измерять постоянную Хаббла по гравитационным волнам. К сожалению, из-за сложности сооружения такого интерферометра ученые планируют запустить его не раньше середины 2030-х годов. Впрочем, прототип телескопа — спутник LISA Pathfinder, — уже сейчас оттачивает технологии детектирования.
Дмитрий Трунин
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».
