Миссия LISA (Космическая антенна лазерного интерферометра), возглавляемая ЕКА (Европейским космическим агентством) при участии НАСА, обнаружит гравитационные волны в космосе с помощью трех космических кораблей, разделенных более чем миллионом миль, летящих в треугольном строю. Лазеры, запускаемые между спутниками, показанными в концепции этого художника, будут измерять, как гравитационные волны изменяют их относительные расстояния. Фото: AEI/MM/Exozet
Первая космическая обсерватория, предназначенная для обнаружения гравитационных волн, прошла капитальную проверку и приступит к созданию летной аппаратуры. 25 января ЕКА (Европейское космическое агентство) объявило об официальном принятии LISA, космической антенны с лазерным интерферометром, в свою программу миссий, запуск которой запланирован на середину 2030-х годов. ЕКА возглавляет миссию, а НАСА выступает в качестве партнера по сотрудничеству.
«В 2015 году наземная обсерватория LIGO открыла окно в гравитационные волны, возмущения, которые проносятся через пространство-время, ткань нашей Вселенной», — сказал Марк Клэмпин, директор отдела астрофизики в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне. «LISA предоставит нам панорамный вид, позволяющий наблюдать широкий спектр источников как внутри нашей галактики, так и далеко-далеко за ее пределами. Мы гордимся тем, что являемся частью этих международных усилий по открытию новых возможностей для исследования тайн Вселенная».
НАСА предоставит несколько ключевых компонентов набора инструментов LISA, а также научную и инженерную поддержку. Вклад НАСА включает лазеры, телескопы и устройства для уменьшения помех от электромагнитных зарядов. LISA будет использовать это оборудование для точного измерения изменений расстояний, вызванных гравитационными волнами, на расстоянии миллионов миль в космосе. ЕКА предоставит космический корабль и будет контролировать международную команду во время разработки и эксплуатации миссии.
Гравитационные волны были предсказаны общей теорией относительности Альберта Эйнштейна более века назад. Они производятся ускоряющимися массами, такими как пара вращающихся по орбите черных дыр. Поскольку эти волны удаляют орбитальную энергию, расстояние между объектами постепенно сокращается в течение миллионов лет, и в конечном итоге они сливаются.
Эта рябь в ткани космоса оставалась незамеченной до 2015 года, когда LIGO, Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, финансируемая Национальным научным фондом США, измерила гравитационные волны, возникающие в результате слияния двух черных дыр. Это открытие способствовало развитию новой области науки, называемой «мультимессенджерной астрономией», в которой гравитационные волны можно было использовать в сочетании с другими космическими «посланниками» — светом и частицами — для наблюдения за Вселенной новыми способами.
Наряду с другими наземными объектами, LIGO с тех пор наблюдал еще десятки слияний черных дыр, а также слияний нейтронных звезд и систем нейтронная звезда-черная дыра. До сих пор черные дыры, обнаруженные с помощью гравитационных волн, были относительно небольшими, их массы в десятки, а возможно, в сто раз превышают массу нашего Солнца. Но ученые полагают, что слияния гораздо более массивных черных дыр были обычным явлением, когда Вселенная была молодой, и только космическая обсерватория могла быть чувствительна к исходящим от них гравитационным волнам.
«LISA предназначена для обнаружения низкочастотных гравитационных волн, которые не могут обнаружить инструменты на Земле», — сказала Ира Торп, научный сотрудник НАСА для миссии в Центре космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. «Эти источники охватывают десятки тысяч небольших двойных систем в нашей галактике, а также массивные черные дыры, сливающиеся при столкновении галактик в ранней Вселенной».
Гравитационные волны от смоделированной популяции компактных двойных систем в нашей галактике были использованы для построения этой синтетической карты всего неба. Такие системы содержат белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры на узких орбитах. Подобные карты с использованием реальных данных станут возможными, как только в следующем десятилетии начнет активизироваться миссия LISA. Центр нашей галактики Млечный Путь находится в центре этого изображения всего неба, а галактическая плоскость проходит посередине. Более яркие пятна указывают на источники с более сильными гравитационными сигналами, а более светлые цвета указывают на источники с более высокими частотами. Более крупные цветные пятна показывают источники, положение которых менее известно. Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
LISA будет состоять из трех космических кораблей, летящих в огромной треугольной формации, которая будет следовать за Землей на ее орбите вокруг Солнца. Каждая рука треугольника простирается на 1,6 миллиона миль (2,5 миллиона километров). Космический корабль будет отслеживать внутренние тестовые массы, на которые влияет только гравитация. В то же время они будут непрерывно стрелять лазерами, чтобы измерить расстояние между ними с точностью до размера атома гелия. Гравитационные волны от источников по всей Вселенной будут вызывать колебания длины плеч треугольника, и LISA уловит эти изменения.
Базовая технология измерений была успешно продемонстрирована в космосе с помощью миссии LISA Pathfinder ЕКА, которая работала в период с 2015 по 2017 год и также включала участие НАСА. Космический корабль продемонстрировал изысканное управление и точные лазерные измерения, необходимые для LISA.
