#чтиво | Как ЕКА собирается перевернуть наше представление о Вселенной

Те, кто доживут до 2034 года, запомнят его навсегда, потому что Европейское космическое агентство собирается в этот год положить начало миссии eLISA. В рамках этой миссии агентство будет использовать три космических исследовательских станции, которые займутся изучением гравитационных волн. Задачей, которая в один прекрасный день сможет привести нас к переосмыслению знаний о всей Вселенной.

Гравитационные волны впервые были отмечены в общей теории относительности Эйнштейном почти век тому назад. В большей или меньшей степени гравитационные волны похожи на звуковые, однако вместо того чтобы проходить сквозь воздух, они проходят сквозь пространство и время. И хотя о гипотетическом существовании гравитационных волн знали еще на начальных рубежах прошлого века, до сих пор никто так и не смог их обнаружить. Считается, что гравитационные волны ответственны за все явления, происходящие во Вселенной: начиная от слияния черных дыр или притягивания планет к своим звездам и заканчивая самим Большим взрывом.

Одна из первых черных дыр в представлении художника (изображение: NASA/JPL-Caltech)

Такими интересными гравитационные волны для ученых делает тот факт, что в отличие от света, электромагнетизма или любых других сил, они распространяются без интерференции. Пыль, газ, искажения — ничто не в силах их остановить. Благодаря гравитационным волнам ученые в будущем смогут заглянуть намного глубже во время, чем ранее до этого считалось.

Команда eLISA говорит, что возможность найти и изучить гравитационные волны откроет для ученых новый взгляд на темную энергию, древнейший остаток ранних дней — космические струны, компактные двоичные звездные системы, квазары, структуру Млечного Пути, и позволит полностью изучить всю историю, связанную с черными дырами. А это особенно важно, так как астрономы верят, что все яркие галактики во Вселенной имеют в своих центрах сверхмассивные черные дыры. Поэтому абсолютно точное понимание черных дыр является критически важным параметром для понимания самих галактик в целом. Знание гравитационных волн поможет лучше изучить процессы, связанные с постоянной Хаббла, описывающей расширение Вселенной, и в какой-то момент позволит провести новые тесты на проверку общей теории относительности.

eLISA в представлении художника (изображение: AEI/MM/exozet)

Сложность в обнаружении гравитационных волн заключается в том, что определение волн в пространстве-времени требует наличия невероятно чувствительного оборудования, при котором даже обычное прикосновение тончайшей иглы покажется гигантским взрывом астероида. Подходящим средством для этого может стать лазерный интерферометр, который позволит лазерному лучу делиться на взаимодействующие друг с другом пучки, создавая в итоге общую интерференционную картину даже на самых удаленных дистанциях. Это позволит собирать информацию даже о самых мельчайших движениях в пространстве, которые до этого невозможно было наблюдать. Правда, этот метод подходит только для больших дистанций и требует практически абсолютной стабильности лазера.

Попытки обнаружения гравитационных волн с поверхности Земли так и не увенчались успехом. Все потому, что базовая площадь работы интерферометра ограничена и подвержена различным вибрациям и другим помехам. Поэтому установка подобного оборудования в центре гравитационного поля Земли — это все равно, что попытка наблюдения за звездами из обсерватории, установленной на Солнце.

Выходом из этой ситуации станет проект eLISA, подразумевающий использование мощности сразу трех космических телескопов, которые будут работать по принципу интерферометра Майкельсона и располагаться на расстоянии одного миллиона километров друг от друга. Задачей интерферометра, или гравитометра будет слежение за тем, как будут изменяться, растягиваясь и сжимаясь, гравитационные волны в пространстве-времени.

Лазерные интерферометры внутри оптической установки eLISA в представлении художника (изображение: AEI/MM/exozet)

Международное сообщество ученых и инженеров, стоящих за eLISA, дали конструкции неофициальное название «науколета» (sciencecraft) и отмечают, что несмотря на то, что запуск миссии состоится минимум через двадцать лет, интерферометрическая измерительная система, телескопы и сенсоры гравитации на самом деле разработаны десять лет назад.

eLISA будет находиться возле Солнца в точке Лангранжа Земля-Солнце, где гравитационные силы Солнца и Земли находятся в равной пропорции, позволяя находящимся в них объектам оставаться неподвижными. Три космических исследовательских телескопа, находящихся на расстоянии от одного до пяти миллионов километров друг от друга, будут составлять треугольную формацию и при необходимости синхронно поворачиваться в интересующую ученых область космоса. При этом максимальная удаленность аппаратов от Земли может составлять до 70 миллионов километров, что является пределом для коммуникационной системы телескопа eLISA.

Внутри каждого аппарата будет находиться «контрольный груз». Он будет состоять из 46 мм кубов из плотного антимагнитного золото-платинового сплава, плавающих в специальных вакуумных камерах. Суть в том, что системы терморегулирования внутри аппарата могут повлиять на работу контрольных грузов, и поэтому в этих целях для защиты будут использоваться вакуумные камеры. Кроме того, внутри камеры будет использоваться ультрафиолетовое излучение для освобождения электронов и поддержания в камере нейтральной статической среды во время «бомбардировки» аппарата космическими лучами.

Схема камеры с контрольным грузом (изображение: Институт Альберта Эйнштейна)

Вакуумная камера, в которой производится строительство камеры для контрольного груза

Важной особенностью eLISA является то, что вся система использует компенсацию лобового сопротивления. Это означает, что для того чтобы контрольный груз всегда оставался в центре камеры, космическому аппарату приходится постоянно двигаться. Каждая камера имеет емкостные датчики, определяющие изменения в позиции контрольного груза по отношению к самому космическому аппарату. Лазерный интерферометр в это же время измеряет показатели этого изменения. Если контрольный груз покидает область нулевой позиции, в работу вступают микродвигатели, которые ведут космический аппарат в сторону измененной позиции до полного возвращения контрольного груза в исходное положение.

Необходимые настройки системы производятся за счет 20-сантиметрового телескопа, использующего Nd:YAG-лазер. Получаемый свет интерференцируется с эталонным лазерным лучом на оптической установке. Эта интерференция позволяет системе высчитывать минутные движения контрольного груза с невообразимой точностью. Здесь даже имеется система виртуального погашения шума лазера, который может повлиять на точность измерений.

Благодаря использованию лазерного интерферометра, космический аппарат может задействовать контрольный груз для определения дистанции между спутниками вплоть до одного пикометра — это меньше чем 1/31 часть размера атома гелия. Это позволит eLISA определять фазу и поляризацию гравитационных волн, а также частоту от 0,1 мГц до 100 МГц. Кроме того, eLISA сможет видеть сразу огромный участок космоса и получит возможность определения даже слабых и преломленных сигналов.

Микродвигатели eLISA в представлении художника (изображение: AEI/MM/exozet)

Первой целью eLISA станут компактные двоичные системы, которые станут своего рода тестовой площадкой для данного проекта. Это позволит ученым окончательно произвести все необходимые настройки и подготовить проект к новым открытиям.

«Эта миссия позволит нам изучить Вселенную с совершенно иного ракурса. Теперь мы сможем и увидеть и услышать все то, что в ней происходит», — говорит профессор физики Тим Саммер, глава проекта eLISA из Имперского колледжа Лондона.

«За несколько веков астрономия пришла к тому моменту, когда мы можем наблюдать за Вселенной благодаря электромагнитному спектру, видеть больше цветов, если хотите, в видимом, инфракрасном, рентгеновском или субмиллиметровом диапазонах. Но в случае с гравитационными волнами нам необходим метод совершенно иного способа сбора информации. Это то же самое, как если бы мы смотрели телевизор без звука и звук неожиданно включился бы, давая нам возможность намного лучше воспринимать поступающую информацию. Открывающиеся перед нами возможности невозможно описать обычным восхищением. Они намного выше этого. Только представьте, что мы получим возможность наиболее четкого понимания того, почему Вселенная выглядит именно так, как выглядит, обладает ли гравитация скоростью света, когда и как образовались первые черные дыры, какие силы стоят за формированием галактик, как расширяются звездные скопления и галактики, как появляются компактные бинарные системы звезд, и, вероятно, даже получим возможность увидеть первые секунды после Большого взрыва».

Тестовый аппарат LISA Pathfinder в термобарокамере. Рядом команда инженеров (фото: ESA/Astrium/IABG)

Для тестирования технологий eLISA Европейское космическое агентство собирается провести в 2015 году шестимесячную миссию LISA Pathfinder (LPF). В ее рамках будут тестироваться системы, которые будут использоваться на борту космического аппарата eLISA. Ученые проверят точность, эффективность и максимальные пределы измерительных оптических систем.

Европейское космическое агентство дало проекту eLISA классификацию «миссия L3» («L» -в данном случае означает «гигантский»). Она стартует после миссии L2, которую ЕКА запланировала на 2028 год и в рамках которой в космос отправится продвинутая космическая рентгеновская обсерватория «Афина».