В течение почти 100 лет ученые искали прямые доказательства существования слабой ряби гравитационных волн в ткани пространства-времени, предсказанной в теории общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Сегодня охота на гравитационные волны стала всемирным усилием, в котором участвуют сотни ученых. В Европе, Соединенных Штатах и Японии было разработано несколько крупных наземных установок, но самый сложный поиск в скором времени состоится в космосе.
Выступая во вторник 5 апреля на Национальном астрономическом совещании РАН в Бирмингеме, профессор Майк Круз расскажет о совместном проекте ESA-NASA под названием LISA (Лазерная интерферометрическая космическая антенна). Планируемый к запуску в 2012 году, LISA будет состоять из трех космических кораблей, летящих в формировании вокруг Солнца, что делает его крупнейшим научным инструментом, когда-либо размещенным на орбите.
Ожидается, что LISA обеспечит наилучшие шансы на успех в поиске захватывающих низкочастотных гравитационных волн, сказал профессор Круз. Однако миссия является одной из самых сложных технологических задач, которые когда-либо предпринимались. Согласно теории Эйнштейна, гравитационные волны вызваны движением больших масс (например, нейтронных звезд или черных дыр) во Вселенной. Гравитационное влияние между удаленными объектами изменяется по мере движения масс, так же, как движущиеся электрические заряды создают электромагнитные волны, которые могут обнаруживать радиоприемники и телевизоры.
В случае очень легкой атомной частицы, такой как электрон, движение может быть очень быстрым, поэтому генерируются волны в широком диапазоне частот, включая эффекты, которые мы называем светом и рентгеновскими лучами. Поскольку объекты, которые генерируют гравитационные волны, намного крупнее и массивнее электронов, ученые ожидают обнаружить гораздо более низкие частоты волн с периодами от долей секунды до нескольких часов.
Волны действительно очень слабые. Они проявляются в виде чередующегося растяжения и сокращения расстояния между испытательными массами, которые подвешены таким образом, чтобы они могли двигаться. Если бы две такие испытательные массы находились на расстоянии одного метра, то гравитационные волны искомой силы в настоящее время изменили бы их расстояние только на 10e-22 метра, или одну десятитысячную от миллионной миллионной миллионной доли метра.
Это изменение в разделении настолько мало, что предотвращение нарушения испытательных масс гравитационным воздействием локальных объектов и сейсмического шума или дрожания самой Земли является реальной проблемой, которая ограничивает чувствительность детекторов. Поскольку длина каждого метра на расстоянии между тестовыми массами порождает отдельные искомые изменения, увеличение длины разделения между массами приводит к большему общему изменению, которое можно обнаружить. Как следствие, детекторы гравитационных волн сделаны максимально большими.
Современные наземные детекторы покрывают расстояния в несколько километров и должны иметь возможность измерять миллисекундные периоды быстро вращающихся объектов, таких как нейтронные звезды, оставшиеся от звездных взрывов, или столкновения между объектами в нашей локальной галактической окрестности. Тем не менее, существует большой интерес к созданию детекторов для поиска столкновений между массивными черными дырами, которые происходят при слиянии полных галактик. Эти сильные события будут генерировать сигналы с очень низкими частотами - слишком низкими, чтобы их можно было наблюдать над случайным сейсмическим шумом Земли.
Ответ в том, чтобы отправиться в космос, подальше от таких помех. В случае LISA три космических корабля будут лететь в строю, на расстоянии 5 миллионов километров друг от друга. Лазерные лучи, проходящие между ними, будут измерять изменения в разделении, вызванные гравитационными волнами, с точностью около 10 пикометров (сто тысячных миллионной доли метра). Поскольку испытательные массы на каждом космическом корабле должны быть защищены от различных помех, вызываемых заряженными частицами в космосе, они должны быть размещены в вакуумной камере космического корабля. Требуемая точность в 1000 раз выше, чем когда-либо прежде в космосе, поэтому ESA готовит испытательный полет лазерной измерительной системы в рамках миссии под названием LISA Pathfinder, запуск которой запланирован на 2008 год.
Ученые из Университета Бирмингема, Университета Глазго и Имперского колледжа в Лондоне в настоящее время готовят инструментарий для LISA Pathfinder в сотрудничестве с ЕКА и коллегами из Германии, Италии, Голландии, Франции, Испании и Швейцарии. По словам Круза, когда LISA работает на орбите, мы ожидаем наблюдать Вселенную через новое окно, предлагаемое гравитационными волнами. В дополнение к нейтронным звездам и массивным черным дырам мы можем обнаружить эхо Большого взрыва от гравитационных волн, испускаемых крошечными долями секунды после события, которое начало нашу Вселенную в ходе ее нынешней эволюции.
Первоначальный источник: выпуск новостей РАН
