Наскоро Европейската космическа агенция (ESA) официално одобри първия експериментален проект за измерване на гравитационни вълни в космоса. Проектът, наречен Лазерна интерферометрична космическа антена (LISA), ще открие масивните вълни в пространство-времето, предизвикани от космически събития като сливането на свръхмасивни черни дупки, чрез анализиране на точното време на разпространение на лазерен лъч над 2,5 милиона километра в рамките на Слънчевата система.
Европейската космическа агенция обяви на 25 януари, че изграждането на мисията за няколко милиарда евро ще започне през 2025 г., като стартирането е планирано за 2035 г. „Мисията е изключително новаторска и ще отвори прозорец към източниците на гравитационни вълни, които само LISA може да открие“, каза Валерия Корол, астрофизик в Института за астрофизика Макс Планк в Гарсинг, Германия, който е член на сътрудничеството на LISA екип.
Това, което прави LISA уникален в сравнение с наземните детектори, е способността му да открива гравитационни вълни при по-ниски честоти, което означава, че може да хвърли светлина върху много по-големи и по-отдалечени космически явления, като черни дупки, обикалящи една около друга, които са много по-големи по обхват и разстояние от тези, открити за първи път от наземната лазерна интерферометрична обсерватория за гравитационни вълни (LIGO) през 2015 г.
Проектът LISA се разработва дълго време, припомня Карстен Данцман, директор на Института за гравитационна физика Макс Планк в Хановер, Германия, и ръководител на консорциума LISA, който първоначално написа предложението за LISA преди 31 години. Експериментът има за цел да открие гравитационни вълни чрез измерване на разстоянието (до най-близката трилионна част от метъра), на което лазерът пътува между две точки с маса на милиони километри, с такава прецизност, че на практика нищо друго освен самото пространство-време не може да повлияе на движението на масовите точки. Карстен Данцман е уверен, че проектът ще се осъществи, заявявайки, че „Първоначално хората смятаха идеята за нелепа, но им казах просто да бъдат търпеливи.“
Златен триъгълник на мисията LISA:Откриване на гравитационни вълни в космоса
Програмата LISA ще се състои от три еднакво конфигурирани космически кораба, които ще обикалят около Слънцето във формация на равностранен триъгълник (Фигура 1). Във всеки космически кораб има плаващ куб с дължина 4,6 см, изработен от злато и платина. Използвайки лазери за точно измерване на относителните разстояния между тези кубове, LISA е в състояние да открие фини пространствени и времеви вариации, предизвикани от гравитационни вълни с много висока точност (до порядъка на пикометри или една милиардна от милиметъра). Такива промени се предизвикват от ускореното движение на масивни обекти. Тези фини измервания позволяват на LISA да определи източника на гравитационни вълни, устройство, което Валерия Корол описва като „инструмент от научната фантастика“.
Фигура 1 Концептуална диаграма на космическия кораб на мисията LISA. 3 сателита ще образуват триъгълник в орбита около Слънцето.
Карстен Данцман посочва, че въпреки предизвикателствата при извършването на високопрецизни измервания на такива разстояния, космическата среда е много по-благоприятна за подобни експерименти от земята. Липсата на вибрации, атмосферни смущения и други трептения в космоса осигурява почти идеален вакуум за експерименти. Сложността на технологията обаче изисква оборудването да бъде изключително надеждно, тъй като не може просто да бъде ремонтирано на място, след като бъде пуснато.
Проектът LISA е предназначен за откриване на гравитационни вълни с дължини на вълните между 300,000 километра и 3 милиарда километра, обхват, който запълва празнината между възможностите за откриване на наземната лазерна интерферометрична обсерватория за гравитационни вълни (LIGO) и Пулсарна синхронизираща матрица. Той може да открива гравитационни вълни при по-дълги дължини на вълните в сравнение с LIGO и при относително по-къси дължини на вълните в сравнение с Pulsar Timing Array. В момента Pulsar Timing Array извършва изследвания за наблюдение и изучаване на гравитационни вълни в цялата галактика, като използва някои звезди като „маяци“, които излъчват периодични сигнали, които помагат на учените да открият по-дълги дължини на вълните на гравитационните вълни.
Перспективи за LISA и глобалното сътрудничество за откриване на гравитационни вълни
Карстен Данцман посочва, че различните експерименти наблюдават свои собствени уникални явления и предоставят допълнителни данни, точно както правят радиотелескопите и устройствата за видима светлина. Благодарение на големия си размер, LISA ще може да открива гравитационни вълни от свръхмасивни сливания на черни дупки, както и сигнали, които са били излъчени по-рано във фазата на сблъсък, открита от LIGO. LISA също се очаква да разкрие невиждани досега космически събития, като сблъсъци на бели джуджета над размера на черни дупки и двоични сливания на черни дупки с неравна маса.
Астрономите очакват експериментът да открие фонов шум от гравитационни вълни, генериран в ранната вселена, който е предвиден от теорията, и потенциално да улови сигнали, излъчвани от най-ранните черни дупки, каза Валерия Корол. LISA се очаква да помогне на учените да разберат по-точно как скоростта на разширяването на Вселената се е променило чрез измерване на разстоянията до източниците на гравитационните вълни, които открива.
Китай също така планира да пусне свои собствени детектори за космически гравитационни вълни през 30-те години на миналия век, които се наричат „Програмата Taiji за откриване на космически гравитационни вълни“ и „Програмата Tianqin“. Програмата на Китай за откриване на космически гравитационни вълни беше подпомогната от разработването на проекта LISA, което увеличава възможността за нейното изпълнение. Програмата на „Програмата Tianqin“ е известна като китайската програма и за разлика от европейската програма LISA, нейната цел е да се изгради космическа обсерватория за гравитационни вълни около 2035 г. чрез разполагане на три напълно синхронни спътника в геоцентрични орбити на височина от около 100,000 километра, съставляващи равностранно триъгълно съзвездие с дължина на страната около 170,000 километра „Tianqin“, за извършване на космическо откриване на гравитационни вълни. „Планът Тайдзи“ е в основата си същият като европейския план LISA, в хелиоцентричната орбита на около 50 милиона километра от Земята, изстрелването на три напълно подобни спътника, тризвездната формационна орбита със слънцето като център, дизайнът от дължината на ръката на смущаващата ръка, т.е. сателитното разстояние от 3 милиона километра. Tianqin, LISA, Taiji три плана, първият е геоцентрична орбитална програма, последните две са хелиоцентрична орбитална програма, се нуждаят от същата основна технология, също имат свои собствени различни технически трудности, но откриването на космически гравитационни вълни се допълва. Одобрението на програмата LISA от ESA бележи важен крайъгълен камък в научната общност.
