LU Astronomijas institūts – starp pasaules kosmiskās ģeodēzijas līderiem

LU Astronomijas institūts ir Latvijas Universitātes zinātniskais institūts, kas veic starptautiska līmeņa fundamentālus un lietišķus pētījumus astronomijā, ar to saistītajās starpnozarēs, kā arī veic pētījumus, kuri ir saistīti ar Zemes mākslīgo pavadoņu jeb satelītu lāzermērījumiem un ar to saistītām tehnoloģijām. “Institūtam ir divas observatorijas – Astrofizikas observatorija Baldonē, Riekstukalnā, un Fundamentālā Ģeodinamiskā stacija Rīgā, LU Botāniskā dārza teritorijā. Observatorijas ir apgādātas ar modernu aparatūru un sekmīgi piedalās starptautisku projektu realizācijā,” tā papildina LU Astronomijas institūta direktors un projekta vadītājs Kalvis Salmiņš.

Ziedojums vairo sasniegumus

Projekta ietvaros LU Astronomijas institūta galvenais mērķis bija izstrādāt jaunu, uzlabotu signālu apstrādes shēmu, lai paaugstinātu mērījumu precizitāti. Iznākums ir izcils – mērījumu precizitāte var pieaugt pat divas reizes, salīdzinot ar iepriekšējo RTS 2006 versiju.

“Raugoties uz pēdējo Latvijas otrās neatkarības gadu attīstību, es priecājos, ka mūsu Latvijas Universitātes absolventi ir kļuvuši turīgi un ar lielu atbildības sajūtu pret savu alma mater. LU fonda gadījumā tas nozīmē to, ka LU absolventi ziedo dažādiem izciliem LU pētnieku projektiem,” tā pauž LU fonda izpilddirektore Laila Kundziņa un turpina, ka “pēdējo četru gadu laikā mūsu lielākais ziedotājs ir mecenāts "Mikrotīkls", kas nu jau ir noziedojis Latvijas Universitātes pētniekiem 2 miljonus eiro. Viens no šādiem pozitīviem atbalsta rezultāta piemēriem – LU Astronomijas institūta zinātniskās darbības izaugsme pasaules mērogā”.

Mērījumu veikšana LU observatorijā. Foto: Liene Kaibe, LU fonda stipendiāte.

Satelītu lāzerlokācija – būtisku mērījumu pamatā

Zemes mākslīgo pavadoņu (ZMP) jeb satelītu lāzerlokācijas ir metode, kā noteikt attālumu līdz satelītam, izmērot laika intervālu, kurā ļoti īss lāzera impulss ceļo no speciāli konstruēta teleskopa līdz satelītam un atpakaļ. Zinot gaismas ātrumu un laiku, kurā lāzera impulss ceļo turp un atpakaļ, var noteikt attālumu līdz satelītam ar ļoti augstu precizitāti, kas var sasniegt 1 cm vai pat mazāk. Satelītu lāzerlokācija (angliski: Satellite Laser Ranging jeb SLR) ir viena no trijām kosmiskās ģeodēzijas galvenajām metodēm. Tā tiek izmantota, lai noteiktu koordinātas uz Zemes virsmas, satelītu orbītu precizēšanai, fundamentālās fizikas teoriju pārbaudē, kā arī kosmiskās telpas pārraudzībā. Attālumu mērījumi tiek veikti ar ļoti augstu precizitāti, izmantojot laika intervālu mērītājus. Viena mērījumu kļūda ir ap 1 cm robežās, bet, grupējot mērījumus un apstrādājot tos īsās sērijās, var sasniegt pat 1 mm precizitāti. Koordinātu uz Zemes noteikšana un satelītu orbītu precizēšana ar šādu precizitāti ļauj noteikt un nomērīt tādus procesus kā tektonisko plašu dreifu, okeānu līmeņu izmaiņas un Zemes gravitācijas lauka mainību laikā.

Kosmiskās ģeodēzijas pirmsākumi

Hipotēzi par kontinentu kustību pirmo reizi formulēja vācu meteorologs un polārpētnieks Alfrēds Vēgeners 1912. gadā, bet atzīta tā tika tikai pēc Otrā pasaules kara. Vieni no pirmajiem tektonisko plašu ātrumu mērījumiem notika Rietumkalifornijā, ASV, 1973. gadā, kad izdevās nomērīt tektonisko plašu kustību Sanandreasa ģeoloģiskā lūzuma (angliski: fault line) rajonā, izmantojot lāzerlokāciju un demonstrējot tās potenciālu. Rezultātā 1976. gadā kosmosā tika palaists pirmais tikai lāzerlokācijai paredzētais satelīts – Lageos (angliski: Laser Geodynamics Satellite), kura viens no uzdevumiem bija noteikt tektonisko plašu kustību ar SLR palīdzību. Mūsdienās tektonisko plašu dreifu ātrumu un virzienu var nomērīt ar 1 mm/gadā lielu precizitāti. Piemēram, Latvija atrodas uz Eirāzijas tektoniskās plates, kas pārvietojas ziemeļaustrumu virzienā ar ātrumu apmēram 2,4 cm/gadā. Plašu tektonika mūsdienās ir aktīvs pētījumu virziens. Viens no iemesliem ir tas, ka tektonisko plašu saskarsmes vietas parasti ir arī seismiski aktīvas. Lāzerlokācijas augstā orbītu noteikšanas precizitāte kalpo arī okeāna līmeņa un ledāju mērījumiem paredzētiem satelītu Jason-2, Jason-3, Cryosat-2 radaru kalibrēšanai.

Students iepazīst zvaigžņu karti. Foto: Liene Kaibe, LU fonda stipendiāte.

Satelīti pierāda Einšteina vispārīgās relativitātes teoriju

Lai varētu korekti interpretēt radaru mērījumus, ar augstu precizitāti jāzina šo pavadoņu orbītas; to nodrošina regulāri lāzerlokācijas mērījumi. Turklāt lāzerlokāciju var pielietot fundamentālajā fizikā. Augstā mērījumu precizitāte ļauj nomērīt atšķirības satelītu kustībā no klasiskās Ņūtona teorijas. Viens no Einšteina vispārīgās relativitātes teorijas paredzējumiem, tā sauktais Lensa-Tīringa efekts (angliski: Lense-Thirring effect) 2004. gadā tika pārbaudīts ar 10% precizitāti, izmantojot satelītus Lageos un Lageos-2. Turpmākiem eksperimentiem ar vēl augstāku precizitāti 2012. gadā tika palaists pavadonis LARES (angliski: LAser RElativity Satellite). LARES kodols ir izgatavots no tangstīna sakausējuma, un tādēļ šis satelīts ir visblīvākais līdz šim zināmais objekts Saules sistēmā. Tā masa ir 386,8 kg, rādiuss 182 mm, bet blīvums – 15,3 g/cm3. Vēl viens fundamentālās fizikas eksperiments GREAT (angliski: Galileo gravitational Redshift Experiment with eccentric sATellites) tika veikts 2017./2018. gadā. Tā ietvaros veselu gadu tika mērīti divi Galileo globālās navigācijas sistēmas satelīti Galileo-201 un Galileo-202, kuri nesējraķetes kļūmes dēļ nonāca nepareizās orbītās ar lielāku ekscentricitāti nekā sākotnēji bija plānots. Tādēļ šo pavadoņu attālums līdz Zemei periodiski mainās robežās no 17 000 km līdz 26 000 km. Katrs no šiem pavadoņiem ir apgādāts ar ļoti precīzu atompulksteni – ūdeņraža māzeru. Abi šie faktori kopā deva iespēju veikt šo eksperimentu, jo, saskaņā ar vispārīgās relativitātes teoriju, pulksteņu gaitai ir jāmainās līdz ar attāluma maiņu līdz Zemei.

LU Astronomijas institūts starp pasaules līderiem

Pulksteņu gaitas izmaiņas gravitācijas laukā sauc par gravitācijas sarkano nobīdi. GREAT eksperimentā piedalījās arī Starptautiskā lāzerlokācijas tīkla ILRS stacijas, nodrošinot precīzu orbītu noteikšanu. 2018. gada nogalē iegūtie rezultāti tika publicēti Physical Review Letters. Einšteina relativitātes teorijas postulāts tika apstiprināts un pārbaudīts ar 5,4 reižu lielāku precizitāti nekā iepriekšējais 1976. gadā veiktais eksperiments ar speciālu satelītu Gravity Probe A. Kā ILRS dalībniece GREAT eksperimentā piedalījās arī LU Astronomijas institūta observatorija, un tās iegūtie mērījumi arī tika izmantoti šajā eksperimentā. LU Astronomijas institūta observatorija atrodas LU Botāniskā dārza teritorijā un ar satelītu problemātiku nodarbojas jau kopš pirmā mākslīga Zemes pavadoņa palaišanas 1957. gada 4. februāri. Lāzerlokācijas teleskops LS-105, kura konstruēšanā arī piedalījās LU AI speciālisti, regulāru darbu uzsāka 1987. gada septembrī. 1991. gada rudenī notika kolokācija ar Vācijas mobilo lāzerlokācijas sistēmu MTLRS un rezultātā LU observatorijas SLR sistēma veiksmīgi iekļāvās starptautiskajā apritē. 1991. gadā tā kļuva par Eiropas lāzerlokācijas staciju EUROLAS dalībnieku, bet tūlīt pēc Starptautiskās lāzerlokācijas dienesta (angliski: International Laser Ranging Service –  ILRS) nodibināšanās arī par tās dalībnieci. Mūsdienās ILRS apvieno vairāk nekā 40 lāzerlokācijas sistēmas no 16 pasaules valstīm. Viens no LU AI darbības virzieniem ir jaunu ar SLR saistītu tehnoloģiju izstrāde. LU AI sadarbojas ar Elektronikas un Datorzinātņu institūtu (EDI) ļoti precīzu laika intervālu mērītāju izstrādē un testēšanā, kurus izmanto lāzerlokācijā. Lai iegūtu attāluma mērījumu precizitāti 1 cm, laika intervāla mērījuma kļūda nedrīkst pārsniegt 10 pikosekundes (ps) (1 ps = 10^-12 sekundes).

LU Astronomijas institūta direktors Kalvis Salmiņš. Foto: Liene Kaibe, LU fonda stipendiāte.

Pasaulē triumfē Latvijā ražotie laika intervālu mērītāji

Mūsdienās Latvijā ražotie laika intervālu mērītāji ir vieni no visplašāk izmantotajiem ILRS tīklā. Tos izmanto arī citās zinātnes un tehniskajās nozarēs, kurās ir nepieciešama laika intervālu mērīšana ar ļoti augstu precizitāti, kā, piemēram, absolūtajos gravimetros, kodolfizikā un lāzeraltimetros. Paši pirmie jaunās paaudzes laika intervālu mērītāji tika vispirms izmēģināti LU Astronomijas institūta observatorijā. Paralēli notika arī darbs pie visas sistēmas precizitātes paaugstināšanas, jo pat gadījumā, ja izdodas laika intervālu nomērīt ar vajadzīgo precizitāti, tas vēl negarantē labu rezultātu. Ir arī vēl citi faktori, kuri ietekmē sistēmas kopējo precizitāti. Viens no tādiem faktoriem ir tas, ka no satelīta uztvertā signāla intensitāte jeb amplitūda var mainīties ļoti plašā diapazonā, un tās izmaiņas ietekme, pārrēķinot attāluma mērvienībās, ir mērāma vairākos desmitos centimetru. Šis efekts ar anglisko nosaukumu “time-walk” ir labi zināms, un tā kompensēšanai tiek izmantotas vairākas metodes. Viens no risinājumiem ir izmantot speciālu signālu apstrādes ierīci jeb konstantās daļas diskriminatoru (CFD). Metodes trūkums ir tas, ka CFD realizētā kompensācija labi strādā tikai salīdzinoši nelielā signāla amplitūdu diapazonā. Papildus apgrūtinājums ir arī CFD noregulēšana, kas, lai sasniegtu maksimāli iespējamo precizitāti, ir netriviāls uzdevums.

Ziedojuma rezultāts, kas paver jaunus apvāršņus

2006. gadā EDI sadarbībā ar LU AI izstrādāja laika intervālu mērītāju RTS 2006, kurš papildus laika intervālu mērīšanas funkcijai realizēja arī hibrīdu “time-walk” kompensācijas shēmu, kas paplašināja CFD darbības diapazonu, izmantojot paralēlu signāla amplitūdas mērīšanas ierīci, kalibrēšanas procedūru un signālu apstrādes programmatūru. Turklāt iekārtai bija specifiska īpašība – spēja nomērīt signāla amplitūdu nosacītās laika vienībās, izmantojot RTS 2006 laika intervāla mērītāju. 2017.-2018. gadā ar mecenāta “Mikrotīkls” finansiālu atbalstu tika īstenots LU fonda pārvaldīts projekts “RTS 2006” modernizācijai. Galvenais mērķis bija izstrādāt jaunu, uzlabotu signālu apstrādes shēmu, izmantojot nesen tirgū parādījušās jaunas elektroniskās komponentes, lai paaugstinātu mērījumu precizitāti un panāktu tās darbību arī ar jaunākajiem laika intervālu mērītāju modeļiem. Projekta ietvaros izstrādātā ierīce TS/ATIC (angliski: Time Selector/Amplitude Time Interval Convertor) ne tikai ieguva būtisku mērījumu precizitātes paaugstinājumu, kas var sasniegt pat 30% un vairāk, salīdzinot ar RTS 2006, bet arī sniedz iespēju atteikties no hibrīdās shēmas ar CFD, tādējādi realizējot pilnībā digitālu risinājumu un vienkāršojot mērīšanas aparatūru. Mērīšanas sistēmas vienkāršošana ļauj samazināt arī kopējo mērījumu kļūdu, jo katra elektronikas komponente vai ierīce mērījumu shēmā ir arī papildus kļūdu avots. Līdzīgi kā iepriekšējam variantam, kas bija iebūvēts RTS 2006, jaunizveidotā iekārta ir jākalibrē, lai “time-walk” kompensācijas programmatūra strādātu pareizi.

Teleskops darbībā. Foto: Thibaud Mourlon.

Uzlabojumi sniedz divas reizes precīzākus mērījumus

Laboratorijas testi ar signālģeneratoru un emulētiem fotonu detektora signāliem rāda, ka izstrādātais risinājums ļauj kompensēt lāzerlokācijas signāla “time-walk” efektu ar kļūdu 3σ = ±8 ps, kas ir vairāk nekā divas reizes mazāka par vislabāko pašlaik tirgū pieejamo CFD kompensācijas precizitāti. To apstiprina arī kalibrēšanas testi ar SLR sistēmu reālos darba apstākļos LU AI observatorijā – precizitāte var pieaugt pat divas reizes, salīdzinot ar iepriekšējo RTS 2006 versiju. Darba gaitā radītie kalibrēšanas uzlabojumi jau tagad ir ieviesti LU AI lāzerlokācijas sistēmas regulārajā darbā. Tuvākajā nākotnē ir paredzēts modernizēt RTS 2006 programmatūru un izstrādāt jaunu kalibrēšanas shēmu.

VIDEO

FOTO ATSKATS

Par Latvijas Universitātes fondu

Jau kopš 2004. gada Latvijas Universitātes fonds nodrošina iespēju mecenātiem un sadarbības partneriem atbalstīt gan LU, gan citas vadošās Latvijas augstskolas, tā investējot Latvijas nākotnē. LU fonda prioritātes ir atbalstīt izcilākos studentus un pētniekus, veicināt modernas mācību vides izveidi, kā arī universitātes ēku būvi un rekonstrukciju.