Недавно Европейское космическое агентство (ЕКА) официально одобрило первый экспериментальный проект по измерению гравитационных волн в космосе. Проект, получивший название «Лазерная интерферометрическая космическая антенна» (LISA), обнаружит массивную рябь в пространстве-времени, вызванную космическими событиями, такими как слияние сверхмассивных черных дыр, путем анализа точного времени распространения лазерного луча на расстояние более 2,5 миллионов километров. Солнечная система.
Европейское космическое агентство объявило 25 января, что строительство миссии стоимостью в несколько миллиардов евро начнется в 2025 году, а запуск запланирован на 2035 год. «Миссия является весьма инновационной и откроет окно в источники гравитационных волн, которые может обнаружить только LISA», — сказала Валерия Король, астрофизик из Института астрофизики Макса Планка в Гарсинге, Германия, которая является членом коллаборации LISA. команда.
Что делает LISA уникальным по сравнению с наземными детекторами, так это его способность обнаруживать гравитационные волны на более низких частотах, что означает, что он может пролить свет на гораздо более крупные и отдаленные космические явления, такие как черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга, которые гораздо больше по размеру и расстояние, чем те, которые были впервые обнаружены наземной лазерной интерферометрической обсерваторией гравитационных волн (LIGO) в 2015 году.
Проект LISA находился в разработке уже давно, вспоминает Карстен Данцманн, директор Института гравитационной физики Макса Планка в Ганновере, Германия, и глава консорциума LISA, который первоначально написал предложение по LISA 31 год назад. Целью эксперимента является обнаружение гравитационных волн путем измерения расстояния (с точностью до триллионной доли метра), на котором лазер проходит между двумя точками массы, находящимися на расстоянии миллионов километров, с такой точностью, что практически ничто, кроме самого пространства-времени, не может повлиять на движение гравитации. масса точек. Карстен Данцманн уверен, что проект осуществится, заявив, что «Сначала люди подумали, что идея смешная, но я посоветовал им просто набраться терпения».
Миссия LISA «Золотой треугольник»:Обнаружение гравитационных волн в космосе
Программа LISA будет состоять из трех космических кораблей одинаковой конфигурации, которые будут вращаться вокруг Солнца в форме равностороннего треугольника (рис. 1). Внутри каждого космического корабля находится плавающий куб длиной 4,6 см из золота и платины. Используя лазеры для точного измерения относительных расстояний между этими кубами, LISA способна обнаруживать тонкие пространственные и временные изменения, вызванные гравитационными волнами, с очень высокой точностью (порядка пикометров или одной миллиардной доли миллиметра). Такие изменения производятся ускоренным движением массивных объектов. Эти точные измерения позволяют LISA точно определить источник гравитационных волн, устройство, которое Валерия Король описывает как «инструмент из научной фантастики».
Рис. 1 Концептуальная схема космического корабля миссии LISA. Три спутника образуют треугольник на орбите вокруг Солнца.
Карстен Данцманн отмечает, что, несмотря на трудности проведения высокоточных измерений на таких расстояниях, космическая среда гораздо более благоприятна для таких экспериментов, чем наземная. Отсутствие вибраций, атмосферных возмущений и других колебаний в космосе обеспечивает практически идеальный вакуум для экспериментов. Однако сложность технологии требует, чтобы оборудование было чрезвычайно надежным, поскольку после запуска его невозможно просто отремонтировать на месте.
Проект LISA предназначен для обнаружения гравитационных волн на длинах волн от 300,000 километров до 3 миллиардов километров. Этот диапазон заполняет пробел между возможностями обнаружения наземной лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и Система синхронизации пульсаров. Он может обнаруживать гравитационные волны на более длинных волнах по сравнению с LIGO и на относительно более коротких длинах волн по сравнению с Pulsar Timing Array. В настоящее время Pulsar Timing Array проводит исследования по наблюдению и изучению гравитационных волн по всей галактике, используя некоторые звезды в качестве «маяков», которые излучают периодические сигналы, которые помогают ученым обнаруживать более длинные волны гравитационных волн.
Перспективы LISA и глобального сотрудничества в области обнаружения гравитационных волн
Карстен Данцманн отмечает, что различные эксперименты наблюдают свои уникальные явления и предоставляют дополнительные данные, точно так же, как это делают радиотелескопы и устройства видимого света. Благодаря своим огромным размерам LISA сможет обнаруживать гравитационные волны от слияний сверхмассивных черных дыр, а также сигналы, которые были излучены ранее на этапе столкновения, обнаруженного LIGO. Ожидается, что LISA также покажет ранее не наблюдавшиеся космические события. такие как столкновения белых карликов, превышающие размеры черных дыр, и слияния двойных черных дыр неравной массы.
По словам Валерии Король, астрономы ожидают, что эксперимент позволит обнаружить фоновый шум гравитационных волн, генерируемый в ранней Вселенной, который предсказывает теория, и потенциально уловить сигналы, излучаемые самыми ранними черными дырами. Ожидается, что LISA поможет ученым более точно понять, как скорость расширение Вселенной изменилось путем измерения расстояний до источников гравитационных волн, которые она обнаруживает.
Китай также планирует запустить в 2030-х годах свои собственные космические детекторы гравитационных волн, которые называются «Программа Тайцзи» и «Программа Тяньцинь». Китайской программе обнаружения гравитационных волн в космосе способствовала разработка проекта LISA, что расширяет возможности ее реализации. Программа «Программы Тяньцинь» известна как китайская программа, и в отличие от европейской программы LISA ее цель – построить космическую обсерваторию гравитационных волн примерно к 2035 году путем развертывания трех полностью синхронных спутников на геоцентрических орбитах на высоте около 100,000 километров, составляющих равностороннее треугольное созвездие с длиной стороны около 170,000 километров "Тяньцинь", для осуществления космического обнаружения гравитационных волн. «План Тайцзи» по сути аналогичен европейскому плану LISA: на гелиоцентрической орбите на расстоянии около 50 миллионов километров от Земли запускаются три одинаковых спутника, орбита трехзвездного образования с Солнцем в центре, конструкция длины мешающего плеча, то есть расстояния между спутниками в 3 миллиона километров. Tianqin, LISA, Taiji - три плана: первый - это программа геоцентрической орбиты, два последних - программа гелиоцентрической орбиты, нуждаются в одной и той же основной технологии, также имеют свои собственные различные технические трудности, но обнаружение космических гравитационных волн дополняет друг друга. Одобрение программы LISA Европейским космическим агентством знаменует собой важную веху в научном сообществе.
