[論文レビュー] LAGRANGE: LAser GRavitational-wave ANtenna at GEo-lunar Lagrange points

John Conklin, Saps Buchman+37 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2011

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 36被引用数 13

ひとこと要約

LAGRANGEは、地球・月のラグランジュ点L3、L4、L5に三つのドレッグフリー宇宙船を配置することで、低コスト・低リスクの重力波観測所を提案する。この計画は、実証済みの技術とモジュラー設計を活用し、LISAと同等の感度を約50％のコストで達成する。単一の慣性基準センサを用いた真のドレッグフリー制御、コンactな光学計測、固定アンテナを用いた連続的高帯域通信を採用する。

ABSTRACT

We describe a new space gravitational wave observatory design called LAGRANGE that maintains all important LISA science at about half the cost and with reduced technical risk. It consists of three drag-free spacecraft in the most stable geocentric formation, the Earth-Moon L3, L4, and L5 Lagrange points. Fixed antennas allow continuous contact with the Earth, solving the problem of communications bandwidth and latency. A 70 mm diameter AuPt sphere with a 35 mm gap to its enclosure serves as a single inertial reference per spacecraft, which is operated in "true" drag-free mode (no test mass forcing). This is the core of the Modular Gravitational Reference Sensor whose other advantages are: a simple caging design based on the DISCOS 1972 drag-free mission, an all optical read-out with pm fine and nm coarse sensors, and the extensive technology heritage from the Honeywell gyroscopes, and the DISCOS and Gravity Probe B drag-free sensors. An Interferometric Measurement System, designed with reflective optics and a highly stabilized frequency standard, performs the inter-test mass ranging and requires a single optical bench with one laser per spacecraft. Two 20 cm diameter telescopes per spacecraft, each with in-field pointing, incorporate novel technology developed for advanced optical systems by Lockheed Martin, who also designed the spacecraft based on a multi-flight proven bus structure. Additional technological advancements include the drag-free propulsion, thermal control, charge management systems, and materials. LAGRANGE sub-systems are designed to be scalable and modular, making them interchangeable with those of LISA or other gravitational science missions. We plan to space qualify critical technologies on small and nano satellite flights, with the first launch (UV-LED Sat) in 2013.

研究の動機と目的

• LISAの代替としてコスト効率が良く、技術的リスクが低く、同等の科学的性能を持つ計画を開発すること。
• 固定アンテナを用いた地球線視通路を継続的に確保することで、LISAの通信帯域とデータ遅延の課題を解決すること。
• DISCOSおよびGravity Probe Bの実証済み実装を応用し、宇宙船ごとに単一の慣性基準センサを用いて真のドレッグフリー制御を実現すること。
• 単一の光学ベンチと反射性光学素子を用いて高精度計測を達成し、経路長誤差を最小限に抑えること。
• 将来的な重力波ミッションのスケーラビリティとモularityを確保するため、飛行実証済みサブシステムを再利用可能にすること。

提案手法

• 地球・月のラグランジュ点L3、L4、L5に、同一の宇宙船を三つ配置し、安定した地球中心のフォーメーションを形成する。
• 70 mmのAuPt試験質量、35 mmギャップを有するモジュラー重力基準センサ（MGRS）を実装し、被動的キャリッジと回転駆動を用いて真のドレッグフリー制御を実現する。
• 反射性光学素子と高精細度キャビティを用いてレーザー周波数安定化と干渉計測距離測定を実現し、5 pm/Hz^1/2の感度を達成する。
• 宇宙船ごとに2台の20 cm望遠鏡を統合し、フィールド内指向性を備えた高帯域光学通信と経路長誤差の低減を実現する。
• 宇宙船ごとに1台のレーザーと安定化周波数基準を採用し、複雑性を低減するとともに安定性を向上させる。
• SRI、ロックヒード・マーチン、LISA・パスファイアの飛行実証済み設計を応用したマイクロニュートン推進、電荷管理、熱制御システムを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球・月ラグランジュ点に配置された重力波観測所は、大幅なコスト削減とリスク低減を実現しながら、LISAと同等の感度を達成できるか？
• RQ2 最小限の力が加わる単一の慣性基準センサと実証済みのキャリッジ機構を用いて、真のドレッグフリー制御をどのように維持できるか？
• RQ3 DISCOS、GP-B、LISA・パスファイアの実証済み技術をどれだけ活用すれば、技術的リスクと開発コストを低減できるか？
• RQ4 固定アンテナを備えた地球中心の小群に、どの程度の通信帯域とデータ遅延が達成可能か？
• RQ5 アーム長が短縮された（0.67 Gm 対 5 Gm）こととコンactな光学設計が、全体のミッション感度と安定性にどのように影響するか？

主な発見

• LAGRANGEは、予算の30％の余裕を含めた粗い数量オーダー（ROM）コストで9.5億ドル（FY12）を達成し、基準LISA比で約50％の削減を実現した。
• 干渉計測システム（IMS）は、10 mHz以上の周波数で5 pm/Hz^1/2の感度を達成し、LISAの18 pm/Hz^1/2を上回った。
• 重力基準センサ（GRS）は、3 fm/s²/Hz^1/2の加速度ノイズを達成し、LISAと同等の性能を示した。同時に真のドレッグフリー制御を可能にした。
• 固定アンテナを用いた連続的高帯域通信により、LISAの数日分のデータ遅延が数分に短縮された。
• ミッションの5年間の運用寿命は、ステーションキープのための1 m/s Δvが6〜12か月ごとに必要であり、ミッション中は試験質量を停止させる。
• 主要サブシステム（宇宙船、レーザー、GRS、推進装置）はすべて技術成熟度（TRL）5以上に達しており、UV-LEDやSRIのμN推進装置といった主要部品はすでに飛行実証済みである。