Некоторые из самых катастрофических и загадочных событий в космосе проявляются только благодаря гравитационным волнам. Некоторые из них мы обнаружили с помощью наших наземных детекторов, но размер этих детекторов ограничен. Следующим шагом вперед в астрономии гравитационных волн (ГВ) является космический детектор: LISA, космическая антенна лазерного интерферометра.
Когда плотные объекты, такие как черные дыры и нейтронные звезды, вращаются вокруг друг друга и сливаются, они создают гравитационные волны. Эти пульсации в пространстве-времени, которые Эйнштейн предсказал в 1915 году, впервые наблюдались в 2015 году с помощью LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Сейчас мы наблюдали десятки из них.
Наземные детекторы, такие как LIGO, имеют два длинных «плеча», расположенных под прямым углом друг к другу. Мощный лазерный луч разделяется на два одинаковых луча, которые проходят по каждому рукаву или туннелю, расположенным на расстоянии нескольких километров друг от друга. Лучи отражаются туда и обратно от зеркал на концах плеч, а когда они объединяются, они интерферируют друг с другом. Всякий раз, когда ГВ проходит через Землю, она искажает пространство-время. В результате одно плечо становится длиннее другого, что меняет интерференционную картину лучей.
Длина плеч ограничивает размеры GW, которые может обнаружить LIGO, а также ограничивает тип слияний, которые он может обнаружить. Он может обнаруживать только высокочастотные ГВ от 10 до 1000 Герц, которые возникают в результате слияния пар черных дыр (ЧД), слияния пар нейтронных звезд (НС) и слияния смешанных пар ЧД и НЗ.
ЛИЗА будет совсем другой. У него нет такого же ограничения по длине руки. LISA станет первой специализированной космической обсерваторией GW и будет состоять из трех отдельных космических аппаратов, расположенных в равностороннем треугольнике. Расстояние между каждым космическим кораблем будет составлять 2,5 миллиона километров, а это означает, что длина рукавов LISA составит 2,5 миллиона километров.
Миссия LISA ЕКА/НАСА является следующим шагом в астрономии гравитационных волн (ГВ). Благодаря своим гораздо более длинным плечам LISA сможет обнаруживать низкочастотные волны от 0,1 мГц до 1 Гц и расширять наш поиск GW и событий, которые их создают. Он будет обнаруживать GW из других источников, таких как слияния сверхмассивных черных дыр (SMBH), двойные системы белых карликов и Inspirals с экстремальным соотношением масс (EMRI). (EMRI — это системы, в которых такие объекты, как черная дыра звездной массы или спираль белого карлика, превращаются в СМЧД.)
Как и LIGO, LISA также будет лазерным интерферометром. Любое изменение его лазерной интерференционной картины можно отнести к ГВ. Однако LISA будет делать больше, чем просто обнаруживать GW. Он может определять и другие характеристики сложных сигналов ГВ, например, вращение черной дыры.
НАСА занято работой над миссией, запуск которой запланирован не ранее 2035 года. Они дали нам первый взгляд на полномасштабный прототип шести камер, на которые будет опираться LISA.
«Двойные телескопы на борту каждого космического корабля будут передавать и принимать инфракрасные лазерные лучи для отслеживания своих спутников, и НАСА поставляет все шесть из них для миссии LISA», — сказал Райан ДеРоса, исследователь из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Прототип, получивший название «Телескоп отдела инженерных разработок», будет направлять нас в работе над созданием летного оборудования».
Телескопы созданы стабильными в широком диапазоне температур, поскольку точность является ключом к успеху. Им необходимо обнаружить изменения размером в пикометры или триллионные доли метра между каждым космическим кораблем. В отличие от LIGO, три космических корабля, составляющие систему, не могут находиться на точном расстоянии друг от друга. На протяжении каждого года орбиты расстояние между ними значительно меняется, и система должна отслеживать изменения, чтобы гарантировать точность.
Тонкий слой золота обладает высокой отражающей способностью в инфракрасном диапазоне, который будут использовать лазеры LISA. Он также сводит к минимуму теплопоглощение и обеспечивает постоянную отражательную способность в течение длительных периодов времени. Золото также устойчиво к коррозии, защищает нижележащий слой от разрушения и термически стабильно.
У LISA есть еще одна хитрость: свободно плавающие кубики или тестовые массы. Они отражают лазеры туда и обратно между космическими кораблями и являются важной частью его системы обнаружения. Это цельные кубики диаметром 46 мм из золото-платинового сплава и весом около 2 кг каждый. Кубики чрезвычайно чистые и имеют однородный материальный состав. Они будут свободно плавать внутри корпусов электродов внутри каждого космического корабля. Кубы служат опорными точками для измерения GW.
ЕКА и НАСА уже протестировали некоторые компоненты LISA в космосе. В 2015 году ЕКА запустило миссию LISA Pathfinder. Он протестировал гораздо меньшую версию одной из рук LISA, а также протестировал кубы. Он поместил две пробные массы в почти идеальное гравитационное свободное падение и контролировал и измерял их движение с беспрецедентной точностью.
Мы прошли долгий путь с тех пор, как Эйнштейн предсказал гравитационные волны. Когда первый из них был обнаружен в 2015 году, он открыл новое окно в космос.
LISA широко распахнет это окно и покажет события, определяющие галактику, такие как слияние сверхмассивных черных дыр.
