Empfindlichkeit von Weltraumteleskopen und -instrumenten

Ich habe ein wenig Lichtmessung an Weltraumteleskopen durchgeführt und war erstaunt über die angebliche Empfindlichkeit einiger Instrumente. Insbesondere die Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die in der Lage sein soll, eine relative Verschiebungsänderung von 20 Pikometern über eine Entfernung von 1 Million km zu erfassen. Ich möchte gerne verstehen, was die Technologie/die zugrunde liegende Physik hinter Detektoren wie diesem ist?

Ich verstehe, dass dies eine sehr weit gefasste Frage ist, da Detektoren viele verschiedene Dinge verfolgen, aber ein allgemeiner Überblick reicht aus.

Wenn möglich, was genau führt zu der phänomenalen Auflösung von LISA?

Antworten (1)

LISA (langes PDF) verwendet Interferometrie . Dies ist eine Methode, die eine sehr genaue Messung der Differenz zwischen zwei Längen ermöglicht.
Grundsätzlich wird ein Laserstrahl geteilt. Jede Hälfte des Strahls legt einen anderen Weg zurück. Ein kleiner Unterschied in den Weglängen verursacht einen Phasenunterschied zwischen den Strahlen. Beide Strahlen werden in einem Heterodyn-Detektor kombiniert, der ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zur Differenz der Frequenz oder Phase der beiden Strahlen ist (ich bin mir noch nicht sicher, welches in LISA verwendet wird).
Der Laser erzeugt eine Frequenz in der Größenordnung von 10 14 H z , eine Frequenzdifferenz von 0,1 Hz ist leicht messbar und ergibt eine Genauigkeit von 10 − fünfzehn .

Papier, das die Genauigkeit dieser Methode berechnet. (langes PDF)
Bericht über die zugrunde liegende Technologie von LISA (noch längeres PDF)

Edit: Meine erste Antwort war falsch.

Stehen die beiden resultierenden Strahlen in diesem Fall senkrecht aufeinander?
Nicht unbedingt.
Von der naiven 400-nm-Genauigkeit eines Interferometers bis zur behaupteten 80-pm-Genauigkeit ist es ein langer Weg. Ich bin sicher, dass mehrere Durchgänge der erste Teil davon sind, aber es erfordert auch eine sehr genaue Messung der Spitzen.
@RossMillikan Es gibt eine Menge Technologie, um diese Lücke zu schließen. Tatsächlich fasst das Einstein Telescope Design Study Document dies zusammen. Brute-Force-Signal-to-Noise ist ein Teil davon: Man verwendet leistungsstarke Laser mit fantastisch ausgeklügelter Rauschkontrolle, sodass die Messung einen riesigen Dynamikbereich hat. Die Verwendung von gequetschtem Licht, um Amplitudengenauigkeit gegen Phasengenauigkeit einzutauschen (eine Manifestation der Heisenbergschen Unschärfeungleichung), ist ein kleiner, aber bedeutender Teil davon. Ich bin mir ziemlich sicher, dass LISA nur einen Durchgang verwenden soll - im Weltraum haben Sie, nun ja, ....
@RossMillikan ... viel Platz, sodass Sie den Strahl nicht wie in LIGO und dem Einstein-Teleskop nach oben klappen müssen. Die experimentelle Untersuchung der Relativitätstheorie war in den letzten 20 Jahren der erstaunlichste Treiber der Interferometrie-Technologie. LISA und LIGO und das ET suchen die von GTR vorhergesagten Gravitationswellen, aber ebenso beeindruckend sind die modernen Replikationen des Michelson-Morley-Experiments, die messen c und seine Unabhängigkeit vom Trägheitsrahmen innerhalb von besser als Δ c / c ≤ 10 − 17 . Die Technologien für die MME-Replikation und die Gravitationswellenerfassung sind eng miteinander verwandt.
@RossMillikan ... und ernähren sich sehr voneinander.
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