Это пока всего лишь план, но вскоре новый телескоп сможет измерять гравитационные волны. Гравитационные волны — это что-то вроде звуковых волн Вселенной. Они образуются, например, при столкновении черных дыр или нейтронных звезд.
Будущий детектор гравитационных волн, Телескоп Эйнштейна, будет использовать новейшие лазерные технологии, чтобы лучше понять эти волны и, следовательно, нашу Вселенную. Возможным местом для строительства этого телескопа является пограничный треугольник Германии, Бельгии и Нидерландов.
Как Вселенная создает золото
Лето 2017 года выдалось чрезвычайно волнующим днем для астрономов: 17 августа три детектора гравитационных волн зарегистрировали новый сигнал. Сотни телескопов по всему миру немедленно сфокусировались на предполагаемом месте происхождения, и там действительно было замечено светящееся небесное тело. Впервые столкновение двух нейтронных звезд было обнаружено как оптически, так и в виде гравитационной волны.
Нейтронные звезды — это нечто особенное во Вселенной: это сгоревшие звезды, которые больше не излучают видимого излучения. Хотя они весят немного больше нашего Солнца, они сжимают свою массу в сферу диаметром менее 20 км. Сила их столкновения настолько велика, что могут разорваться атомные ядра, выбросить гигантские количества массы и образоваться тяжелые атомы, такие как золото.
«По сравнению с массой нейтронных звезд, золота производится не так много, а лишь несколько лунных масс», — с улыбкой объясняет профессор Ахим Шталь, астрофизик из RWTH Ахена.
«Но исследователи почти уверены, что большая часть золота во Вселенной была создана в результате таких гигантских взрывов». Таким образом, золотое кольцо, которое мы сегодня носим на пальце, уже прошло галактическую историю.
Детекторы гравитационных волн открывают новую главу в астрономии
Благодаря детекторам гравитационных волн мы уже знаем больше о столкновениях нейтронных звезд. По галактическим меркам это очень быстрые процессы. В прошлом, если нам везло, мы могли обнаружить всплески гамма-излучения, которые длились менее секунды. Во время столкновений черных дыр сигнал, который можно измерить с помощью современных детекторов гравитационных волн, очень короткий.
Сигнал первой гравитационной волны, измеренный в 2015 году, имел продолжительность чуть более 0,2 секунды. Такие волны возникают, когда сверхтяжелые объекты вращаются вокруг друг друга во Вселенной, а затем сталкиваются.
Записанный летом 2017 года сигнал имел продолжительность 100 секунд, поэтому сразу было понятно, что это должно быть что-то новое. Вскоре после прекращения гравитационного сигнала был обнаружен гамма-всплеск; Позже послесвечение взрыва наблюдалось в разных диапазонах длин волн и были обнаружены следы тяжелых элементов, таких как золото и платина.
Событие было идентифицировано как столкновение двух нейтронных звезд. Одновременное наблюдение гравитационных волн и электромагнитных сигналов открыло новую главу в наблюдательной астрономии. «Фактически, оптический сигнал имел решающее значение для открытия звезды на небе», — объясняет астрофизик Шталь.
Наши «уши» Вселенной
На протяжении веков астрономия ограничивалась наблюдением видимого излучения. С лучшим пониманием электромагнитного спектра было добавлено множество новых методов наблюдения, астрономы открыли радиоволны и значительно расширили знания человечества посредством вычислений и моделирования.
Когда сто лет назад Альберт Эйнштейн постулировал свою общую теорию относительности, он также высказал идею о том, что могут существовать волны, не имеющие ничего общего с электромагнитным спектром. Подобно звуковой волне, они были предназначены для того, чтобы заставить удаленный тестовый объект немного «раскачиваться».
Большие ускоренные массы должны посылать такие волны в космос. Однако на Земле колебательное движение, вызванное гравитационными волнами, настолько слабое, что оно намного меньше диаметра атома. Тем не менее теперь стало возможным измерять гравитационные волны. Это новая эра для астрономов.
Это стало возможным благодаря так называемым лазерным интерферометрам. Они состоят из двух рычагов с зеркалами на концах. Лазерный луч попадает в интерферометр и разделяется посередине светоделителем.
Он проходит к крайним зеркалам в двух плечах и обратно к светоделителю. Если положение зеркала на конце рычага изменится, время прохождения соответствующего лазерного луча изменится незначительно. Эту величину можно измерить, сравнивая лазерный луч из затронутого зеркала с лазерным лучом из другого плеча интерферометра, где зеркало не перемещалось.
Точность этого измерения в современных детекторах гравитационных волн продолжает удивлять даже физиков: «Мы измеряем с точностью менее двух тысячных диаметра протона», — объясняет профессор Шталь.
«Ирония в том, что нам нужна точность в масштабе мельчайших известных нам частиц, чтобы обнаружить величайшие события во Вселенной — слияния черных дыр», — добавляет он.
Первые попытки измерения гравитационных волн были предприняты в 1960-х годах. Но только нынешнее второе поколение лазерных измерительных устройств достигло такой чрезвычайной точности и теперь способно обнаружить около 100 столкновений черных дыр или нейтронных звезд.
Телескоп Эйнштейна
Профессор Шталь является членом немецкого сообщества телескопов Эйнштейна и в настоящее время работает над следующим поколением детекторов гравитационных волн. Говорят, что это третье поколение измерительных устройств в десять раз более чувствительно, чем те, которые используются в настоящее время. Планируемая обсерватория гравитационных волн будет называться «Телескоп Эйнштейна» в честь основателя общей теории относительности.
«Мы хотим использовать это для исследования области, которая в тысячу раз больше, чем сейчас возможно для гравитационных волн во Вселенной. И тогда мы должны найти значительно больше источников, к которым нынешние инструменты недостаточно чувствительны», — объясняет астрофизик. Это касается и более тяжелых объектов, излучающих гравитационные волны на более низких частотах.
Телескоп Эйнштейна будет состоять из трех вложенных детекторов. Каждый из этих детекторов будет иметь два лазерных интерферометра с длиной плеча 10 км. Чтобы максимально экранировать помехи, обсерваторию построят на глубине 250 метров под землей.
Но ученые уже думают гораздо дальше. «Телескоп Эйнштейна будет сотрудничать с новым, инновационным поколением обсерваторий в электромагнитном спектре от радио до гамма-лучей. Мы называем это мультимессенджерной астрономией», — говорит профессор Шталь, описывая свое видение.
«Помимо «ушей» гравитационных волн у нас будут еще «глаза», воспринимающие совершенно другие сигналы. Вместе они позволяют вести прямую трансляцию космических событий, подобных которым никто никогда не видел».
До сих пор вы могли случайно наблюдать за небом и надеяться на короткую вспышку молнии. В будущем детекторы гравитационных волн будут работать непрерывно и «слушать» появление сигнала. Если несколько таких детекторов улавливают сигнал, можно вычислить его исходную область и настроить на него другие оптические телескопы. Как и в случае со столкновением нейтронной звезды летом 2017 года, тогда станет возможным проведение нескольких систематических измерений.
Ученые надеются, что это даст много новых идей, например, о ранней Вселенной или о столкновениях, в результате которых были созданы все элементы тяжелее железа.
Детекторы в Европе и по всему миру
Такие сложные измерения требуют глобального сотрудничества. Поэтому в США разрабатывается концептуальный проект детектора третьего поколения.
«Космический исследователь» призван сформировать глобальную детекторную сеть вместе с телескопом Эйнштейна. В 2021 году европейцы включили телескоп Эйнштейна в дорожную карту Европейского стратегического форума по исследовательским инфраструктурам (ESFRI). ESFRI была основана в 2002 году, чтобы дать возможность национальным правительствам, научному сообществу и Европейской комиссии совместно разрабатывать и поддерживать подход к исследовательской инфраструктуре в Европе.
С включением в дорожную карту ESFRI телескоп Эйнштейна вступил в фазу подготовки. Бюджет оценивается в 1,8 миллиарда евро. Ожидается, что стоимость операции составит около 40 миллионов евро в год. Строительство планируется начать в 2026 году, а наблюдения начнутся в 2035 году.
В настоящее время проводятся исследования по выбору места. Решение ожидается в 2024 году. В настоящее время исследуются два возможных места: одно на Сардинии и одно в Еврорегионе Маас-Рейн в пограничном треугольнике Германии, Бельгии и Нидерландов. При оценке площадок партнеры по исследованиям должны учитывать не только осуществимость строительства, но и оценивать степень, в которой окружающая среда на площадке влияет на чувствительность и работу детектора.
Проект обещает ряд преимуществ для пострадавшего региона: большая часть затрат в 1,8 миллиарда долларов будет использована на строительные работы. Требуются три десятка километров туннелей и двенадцать десятков километров вакуумных линий, и это лишь два примера. В проекте уже задействовано множество компаний.
Большая команда в разных местах уже работает над реальным измерительным оборудованием. Помимо RWTH Ахена сюда также входит Институт лазерных технологий Фраунгофера ILT в Ахене. Сейчас там разрабатываются новые лазеры, без которых новые измерения были бы невозможны.
«То, что мы здесь разрабатываем для возможного использования в телескопе Эйнштейна, уникально по своей конструкции и предназначено исключительно для измерения гравитационных волн», — подтверждает руководитель проекта Патрик Баер из Fraunhofer ILT, который работает в сообществе телескопов Эйнштейна в качестве руководителя исследовательских групп. от сообщества телескопов Эйнштейна, Институтов лазерной технологии Фраунгофера ILT и производственных технологий IPT, а также кафедры лазерных технологий LLT и технологии оптических систем в RWTH Ахена.
«В упрощенном виде лазерная технология, разработанная для этой области применения, может быть интересна и для других приложений, например, квантовых технологий. Но полученные знания также могут быть полезны для разработки лазеров в медицинской технике: длина волны 2 мкм подходит для разрушения камней в почках и мочевом пузыре».
Потому что это именно то, чем занимается Fraunhofer ILT с момента своего основания: создание высококачественных лазеров на основе исследований, пригодных для промышленного использования.
Финансирование еще не полностью обеспечено. Профессор Шталь ожидает, что окончательное решение будет принято в ближайшие два года. Сначала к работе приступят проектировщики, затем строители туннелей и, наконец, физики-лазеры. «По моим оценкам, мы сможем провести первые измерения в 2035 году».
Что в этом привлекает такого исследователя, как Ахим Шталь? «С помощью гравитационных волн мы можем заглянуть во Вселенную гораздо дальше, чем с помощью обычных телескопов», — объясняет астрофизик.
«В астрофизике заглянуть дальше во Вселенную означает, прежде всего, заглянуть в прошлое. С помощью телескопа Эйнштейна мы будем получать сигналы времен образования галактик и первых звезд. Это идет дальше, чем это возможно с помощью оптических средств. И мы услышим космические взрывы вместе с гравитационными волнами прежде, чем увидим их».
Более чувствительные детекторы телескопа Эйнштейна «услышат» сигналы раньше, давая другим телескопам больше времени для настройки. До сих пор наблюдение за таким событием было скорее счастливым совпадением. Систематические измерения теперь возможны впервые. Наступают захватывающие времена – и не только для астрофизиков.
Предоставлено Институтом лазерных технологий Фраунгофера ILT.
