ЕКА начинает искать гравитационные волны в космосе

На этой неделе Европейское космическое агентство начинает тестирование технологий, необходимых для обнаружения гравитационных волн в космическом пространстве.

Европейский зонд LISA Pathfinder проведет ряд экспериментов на расстоянии примерно в 1,5 млн километров от Земли.

Проект вызывает особый интерес, так как в сентябре на поверхности Земли впервые <link type="page"><caption> были зарегистрированы подобные гравитационные волны</caption><url href="http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160211_gravitational_waves.shtml" platform="highweb"/></link>.

Если тестирование LISA Pathfinder пройдет удачно, оно откроет путь к созданию в течение примерно 20 лет полноценной орбитальной обсерватории.

Такая обсерватория, скорее всего, будет называться LISA (Laser Interferometer Space Antenna – Лазерно-интерферометрическая космическая антенна).

"Сейчас замечательное время", - говорит Пол Макнамара, ученый Европейского космического агентства, работающий над проектом LISA Pathfinder.

"Я посвятил этому всю свою научную карьеру, над нами иногда насмехались и годами говорили нам, что гравитационных волн не существует или что мы их никогда не обнаружим", - добавляет он.

"Теперь мы их обнаружили, а сейчас делаем огромный шаг вперед, запуская проект, который сможет зарегистрировать их в космосе", - сказал Макнамара в интервью Би-би-си.

Черные дыры

Базирующиеся на Земле лазерно-интерферометрические лаборатории международного проекта LIGO Scientific Collaboration смогли зафиксировать в лабораторных условиях гравитационные волны, вызванные столкновением двух черных дыр массой в 29 и 36 раз больше массы Солнца.

Базирующийся в космосе интерферометр сможет изучать гораздо более крупные космические объекты, в том числе - огромные черные дыры с массой в миллионы раз больше Солнца, которые сливаются в одну черную дыру при столкновении галактик.

Но возможно, что орбитальная станция сможет фиксировать и менее масштабные события на других стадиях их развития.

На борту LISA Pathfinder находится всего один инструмент. Он должен следить за поведением двух пластин из сплава золота и платины, зафиксированных на расстоянии 38 сантиметров друг от друга, и измерять любые колебания расстояния между ними.

В рамках начавшегося во вторник эксперимента эти пластины будут находиться внутри специальных камер, где они будут изолированы от любых внешних воздействий.

Если удастся создать такую изолированную от внешних влияний систему, находящиеся в состоянии свободного падения пластины будут падать по прямой траектории, на которую может воздействовать только гравитация.

В таких условиях гравитационные волны могут быть зарегистрированы в случае изменений расстояния между пластинами.

Лазерная система будет фиксировать любые отклонения в траектории движения пластин с точностью вплоть до нескольких пикометров – одной триллионной метра, что во много раз меньше диаметра атома.

Это сопоставимо с попыткой определить точнейшую дистанцию между верхушками лондонского небоскреба "Шард" и новым небоскребом нью-йоркского Всемирного торгового центра с точностью до доли диаметра человеческого волоса.

Тестовый проект

"Первые несколько дней эксперимента будут очень скучными: мы ничего не будем делать", - говорит Пол Макнамара.

"Мы просто дадим этим пластинам возможность свободно висеть в пространстве и попытаемся понять, что именно происходит, так как такого эксперимента еще никто не проводил", - продолжает он.

На данный момент LISA Pathfinder не может регистрировать гравитационные волны. Для этого пространство между пластинами должны быть не 38 сантиметров, а около миллиона километров, что и хотят в будущем сделать ученые.

В этом смысле нынешний проект – лишь тестовый, позволяющий подготовиться к полноценному эксперименту.

В будущем LISA Pathfinder, как надеются ученые, будет проводить измерения при помощи двух станций, а если позволит бюджет, - трех космических аппаратов, расположенных в вершинах правильного треугольника со сторонами длинной в миллион километров.

Стороны этого треугольника будут образовывать плечи гигантского интерферометра.

Гравитационная волна искажает структуру пространства-времени между двумя космическими аппаратами, что дает возможность измерить относительные изменения длины плеч интерферометра по сдвигу фазы лазерного луча, несмотря на относительную малость этого эффекта.

Эксперименты в космосе

Сейчас же ученые могут лишь протестировать принципы метрологии, а также понять, какой именно космический шум влияет на результаты эксперимента.

Шум может исходить, например, от электроники на борту космического аппарата. Кроме того, есть и физические факторы, которые могут влиять на пластины в свободном падении, – от минимальных изменений температуры внутри космического корабля до практически незаметного гравитационного поля самого аппарата.

Для создания оптимальных условий свободного падения пластины должны быть постоянно прикрыты от влияния солнечных лучей или микрометеоритов.

Когда тестирование завершится, космическая обсерватория проведет еще несколько экспериментов, не связанных с гравитационными волнами.

Среди рассматриваемых идей – обнаружение астероидов, находящихся недалеко от Земли. Это можно будет сделать, используя навигационный сенсор корабля, запрограммированный таким образом, чтобы он сообщал о движущихся объектах в поле его зрения.

Еще одна возможность использования сверхчувствительного оборудования на борту станции – точное определение гравитационной постоянной G.

Эта фундаментальная физическая величина, называемая также постоянной Ньютона, необходима для вычисления силы гравитации между двумя массами, находящимися на определенном расстоянии одна от другой.

Константа гравитационного взаимодействия G была с большой точностью вычислена на Земле с использованием маятника. Измерение этой величины в космосе даст ее независимую оценку.