eLISA проследит за искривлением пространства

После подтверждения регистрации гравитационных волн во всём мире резко возрос интерес к изучению их природы. Проекты астрофизиков, ещё недавно казавшиеся сомнительными, получили статус перспективных и новые инвестиции. В 2028 – 2034 годах планируется создать грандиозную обсерваторию, в 240 тысяч раз превосходящую по размерам LIGO. Её строительство уже началось, и сегодня ЕКА совместно с НАСА сообщили об успешном испытании тестового модуля.

Космический лазерный интерферометр eLISA (изображение: ESA).

Долгое время мы наблюдали за космосом, пытаясь увидеть далёкие галактики, отдельные звёзды, (экзо)планеты и другие объекты в телескопы. Одни небесные тела светились сами, другие были видны в отражённом или проходящем свете. В то же время многие из них оказались недоступны прямому наблюдению. Они не испускали свет, скрывались в газопылевых туманностях или заслонялись другими скоплениями звёзд. Тогда на помощь пришла радиоастрономия, ИК-телескопы и гамма-обсерватории.

Однако все эти инструменты лишь расширяли регистрируемый спектр электромагнитных волн, порождаемых небесными телами и космическими процессами. На расстояниях в миллиарды километров встречаются и такие препятствия, которые оказываются непрозрачными для ЭМИ всех типов. Астрофизики предполагают, что гравитационные волны помогут нам получить информацию об этих невидимых объектах.

Детектор eLISA содержит два позолоченных куба (изображение: ESA).

По своим параметрам гравитационные волны находятся ближе к акустическим, чем к электромагнитным, хотя и движутся со скоростью света. Это распространяющееся возмущение самой ткани пространства-времени, которое вызывает едва уловимые изменения в ней. Здесь, на Земле они могут наблюдаться лишь в субатомных пределах – по изменению относительного расстояния тестовой системы на 10^-19 м и меньше на километр.

Говоря поэтическим языком, детекторы гравитационных волн позволят нам впервые услышать космос, регистрируя сигналы нового типа. В отличие от ЭМИ, они практически не встречают препятствий на своём пути. С помощью них исследователи надеются получить новые данные о ранних этапах развития Вселенной и проверить космологические концепции.

Детекторы LIGO проводят измерения вот уже четырнадцатый год. За это время они смогли обнаружить лишь единичный сигнал в диапазоне десятков и сотен герц. По предварительным оценкам он оказался следом редкого космического феномена – заключительной фазы слияния чёрных дыр в двойной системе. Такой скудный улов объясняется просто: из-за ограничения по длине плеч интерферометра у построенных лазерных обсерваторий относительно невысокая чувствительность и очень узкий рабочий диапазон.

Кип Торн, Стивен Хокинг и другие физики-теоретики предполагают, что существует множество других источников гравитационных волн с другими параметрами. Согласно ОТО, периодические возмущения пространства должны исходить от любых массивных объектов при их движении друг относительно друга. Например, от двойных систем с нейтронными звёздами, пульсарами и магнетарами, а также при вращении сверхмассивных чёрных дыр в галактических центрах.

Схема космического лазерного интерферометра eLISA (изображение: physastro.pomona.edu).

Источников гравитационных волн в видимой части Вселенной должно быть предостаточно, чтобы их ежедневная регистрация стала рутинным процессом. Проблема лишь в том, что они будут сильно размыты по спектру, а большинство из них окажется гораздо слабее зарегистрированных 14 сентября 2015 года.

Наблюдения при помощи радиотелескопов и теоретическое моделирование дают основания предположить, что гравитационные волны преимущественно встречаются в частотном диапазоне от 0,1 до 100 миллигерц. Для их обнаружения потребуется сделать интерферометр небывалых масштабов.

Длина плеч лазерного интерферометра составит от одного до пяти миллионов километров (изображение: ESA).

Наземные детекторы LIGO и VIRGO имеют ряд фундаментальных ограничений. Например, их слишком сложно сделать длиннее нескольких километров, а работать им приходится на фоне сейсмической активности и множества других источников колебаний.

Преодолеть эти ограничения можно, лишь выйдя за пределы Земли. Поэтому проводить основные наблюдения за искривлениями пространства уже в ближайшей перспективе будут из космоса. Три космических корабля образуют вершины равностороннего треугольника и создадут двухлучевой интерферометр с длиной каждого плеча от одного до пяти миллионов километров. Называться он будет eLISA – (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) – улучшенная космическая антенна лазерного интерферометра. В качестве источника когерентного света в нём используется твёрдотельный лазер с активной средой из алюмо-иттриевого граната (YAG) легированного ионами неодима.

Устройство eLISA (изображение: elisascience.org).

Первый элемент «Элизы» – тестовый модуль LISA Pathfinder, уже выведен на орбиту. 22 января 2016 года (через шесть недель после запуска) он достиг точки Лагранжа L1 системы Земля – Солнце, расположенной в полутора миллионах километров от Земли. Сегодня, 15 февраля, он успешно прошёл второй тест и доказал принципиальную возможность создания орбитального интерферометра с заявленными параметрами.

Несмотря на размещение в стабильных точках Лагранжа, спутники eLISA будут непроизвольно изменять своё положение в пространстве из-за влияния солнечного ветра. Корректировать его будет автоматическая система, состоящая из массива ионных двигателей.

Ионные двигатели eLISA (изображение: elisascience.org).

Сама измерительная аппаратура максимально изолирована от внешних воздействий. Она не просто на порядки чувствительнее установленной в LIGO – это гораздо более универсальный инструмент. В eLISA определяется сдвиг фазы лазерного луча, что позволяет измерять поляризацию гравитационных волн, определять направление на их источник и даже построить карту неба.

Проверять некоторые данные eLISA планируется при помощи гамма-обсерватории Ферми. Она уже подтвердила обнаружение детекторами LIGO слияния двух чёрных дыр. Помимо гравитационной волны, они этот процесс породили и гамма-всплеск, который был зафиксирован спустя 0,4 с после сигнала GW150914.

Движение спутников eLISA на гелиоцентрической орбите (анимация: Nicolas Douillet).

С помощью eLISA астрофизики смогут непосредственно изучать гравитацию – фундаментальный тип взаимодействия между любыми телами, обладающими массой. Регистрация гравитационных волн в широком диапазоне позволит лучше понять процесс образования двойных систем в нашей галактике, наблюдать объединение крупных черных дыр (вплоть до значений красного смещения z ~ 20), получить представление о ранних этапах развития Вселенной и проверить теорию её эволюции с ускоряющимся расширением. Потенциально анализ гравитационных волн позволит лучше понять саму природу пространства и подтвердить существование бран, описанных в теории струн.