Magnetically induced forces during LISA Pathfinder in-flight operations

Abstract

Les ones gravitatòries van ser predites per Albert Einstein l’any 1915 dintre del marc de la teoria de la Relativitat General. Segons aquesta teoria, la qual representa la vigent comprensió de la interacció gravitatòria, moviments violents en sistemes de grans quantitats de massa generen pertorbacions que es propaguen en l’espai i el temps, transportant amb elles energia del sistema originari. L’any 2015, La col·laboració LIGO va revolucionar el món de la física amb el seu anunci de la detecció de les ones gravitacionals produïdes per la violenta col·lisió de dos forats negrets. Els detectors terrestres com LIGO veuen limitada la seva capacitat de detecció a freqüències per sota dels Hertz degut al soroll sísmic i d’origen humà. Per aquesta raó l’Agència Espacial Europea (ESA) ha decidit posar en òrbita un observatori d’aquestes característiques a la dècada del 2030. Prèviament, i per tal de provar la tecnologia necessària, el Desembre de 2015 es llençà el satèl·lit LISA Pathfinder (LPF), una missió que tenia com a objectiu posar a prova les tecnologies necessàries per a la detecció d’ones gravitatòries a l’espai. Amb aquesta finalitat el satèl·lit ha dut a terme una mesura pionera a l’espai. Es tracta de situar dues masses de prova separades 38 cm en una caiguda lliure nominalment perfecta, és a dir, que aquestes dues masses només es vegin afectades per la força de la gravetat. Un interferòmetre làser mesura la distància entre les dues masses, essent aquesta la principal mesura científica. Nombroses forces i diferents efectes poden pertorbar el moviment geodèsic de les masses de prova. La tesi doctoral del candidat s’ha centrat en l’anàlisi de les dades del subsistema de diagnòstic magnètic de LISA Pathfinder. L’objectiu final d’aquest subsistema és el de poder predir amb precisió la contribució del soroll magnètic a la principal mesura científica del satèl·lit. Les masses de prova estan fabricades amb un aliatge d’or i platí per tal de minimitzar el seu moment magnètic. Tot i això, la precisió de l’instrument és suficient per ser sensible a l’acoblament del camp magnètic ambiental amb el moment magnètic de les masses de prova, lo qual produeix forces sobre les masses de prova que l’interferòmetre pot mesurar. En aquesta tesi s’ha donat una visió de quins són els diferents mecanismes que produeixen aquestes forces magnètiques, s’ha estudiat l’evolució del camp magnètic que afecta les masses de prova i s’han analitzat els experiments magnètics que es van dur a terme durant les operacions científiques del satèl·lit. Tot això ha permès quantificar quina és la contribució deguda als efectes magnètics a les fluctuacions en l’acceleració relativa entre les dos masses de prova.

Las ondas gravitacionales fueron predichas por Albert Einstein el año 1915 dentro del marco de la teoría de la Relatividad General. Según esta teoría, la cual representa la vigente comprensión de la interacción gravitatoria, movimientos violentos en sistemas muy masivos generan perturbaciones que se propagan a través del espacio-tiempo, transportando con ellas energía del sistema original. En el año 2015, la colaboración LIGO revolucionó el mundo de la física con su anuncio de la detección de las ondas gravitacionales producidas por la violenta colisión de dos agujeros negros.

Los detectores terrestres como LIGO ven limitada su capacidad de detección a frecuencias por debajo del Hertz debido al ruido sísmico i de origen humano. Por esta razón la Agencia Espacial Europea (ESA) ha decidido poner en órbita un observatorio de estas características en la década del 2030. Previamente, i con tal de probar la tecnología necesaria, en Diciembre de 2015 se lanzó el satélite LISA Pathfinder (LPF), una misión que tenía como objetivo poner a prueba las tecnologías necesarias para la detección de ondas gravitacionales en el espacio. Con esta finalidad, el satélite realizó una medida pionera en el espacio. Se trata de situar dos masas de prueba separadas 38 cm en una caída libre nominalmente perfecta, es decir, que estas dos masas solo se vean afectadas por la fuerza de la gravedad. Un interferómetro láser mide la distancia entre las dos masas, siendo esta la principal medida científica.

Numerosas fuerzas y diferentes efectos pueden perturbar el movimiento geodésico de las masas de prueba. La tesis doctoral del candidato se ha centrado en el análisis de los datos del subsistema de diagnóstico magnético de LISA Pathfinder. El objetivo final de este subsistema es el de poder predecir con precisión la contribución del ruido magnético a la principal medida científica del satélite. Las masas de prueba están fabricadas con una aleación de oro y platino con tal de minimizar su momento magnético. No obstante, la precisión de la medida del instrumento es tal que nos permite ver el acoplamiento del campo magnético ambiental con el momento magnético de las masas de prueba, lo cual produce fuerzas sobre las masas de prueba que el interferómetro puede medir.

En esta tesis se ha dado una visión de cuales son los mecanismos que producen estas fuerzas magnéticas, se ha estudiado la evolución del campo magnético que afecta a las masas de prueba y se han analizado los experimentos magnéticos que se llevaron a cabo durante las operaciones científicas del satélite. Todo esto ha permitido cuantificar cual es la contribución debida a los efectos magnéticos a las fluctuaciones en la aceleración relativa entre las dos masas de prueba.

Gravitational waves were predicted by Albert Einstein in 1915 within the General Relativity theory. According to this theory, which represents the present understanding of the gravitational interaction, violent movements in very massive systems generate perturbations which propagate across the space-time, carrying with them the energy of the original system. In 2015, the LIGO collaboration shocked the world with their announcement of a gravitational wave detection coming from the collision of two black holes.

Terrestrial detectors like LIGO have limitations to their detection capacity below the Hertz due to the seismic and human-originated noise. Due to this reason, the European Space Agency (ESA) have decided to put into orbit an observatory of this characteristics in the decade of 2030. Previously, and in order to prove the necessary technology, in December 2015 ESA launched the satellite LISA Pathfinder (LPF), a space mission which had the goal of proving the necessary technologies for the detection of gravitational waves in space. To this end, the satellite performed a pioneer measurement in space. It placed two test masses separated by 38 cm in a nominally perfect free-fall, which means that these two test masses were affected by the force of gravity. A laser interferometer constantly monitored the distance between the two test masses, being this the main scientific measurement of the mission.

Several forces and different effects may perturb the geodesic motion of the test masses. The candidate's thesis focused in the analysis of the data from the magnetic diagnostics subsystem of LISA Pathfinder. The final goal of this subsystem is to be able to predict with great accuracy the contribution coming from magnetic effects to the main scientific measurement of the satellite. The test masses were designed with gold-platinum alloy with the objective of minimising their magnetic moment. Nevertheless, the instrument measurement accuracy is so high that we can see the coupling of the environmental magnetic field with the test masses magnetic moment. This produces forces on the test masses that the interferometer can measure.

In this thesis we have given a review of which are the mechanisms producing these magnetic forces, we have studied the evolution of the magnetic field affecting the test masses and we have analysed the magnetic experiments performed on-board the satellite during the scientific mission operations. All this allowed us to quantify which is the contribution coming from the magnetic effects to the fluctuations of the relative acceleration between the two test masses.