Телескоп LISA

Схема работы LISA

Схема работы LISA

Недавний успех с обнаружением гравитационных волн подстегнул интерес ученых и общества к одному интересному проекту ближайшего будущего — телескопу LISA (также eLISA, от Evolved Laser Interferometer Space Antenna, «Улучшенная космическая антенна-лазерный интерферометр»). Это первый в истории проект, позволяющий использовать гравитационные волны для познавательных целей — изучения центров галактик, черных дыр и массивных звезд. Запуск телескопа планируется на 2034 год.

Принцип работы LISA

Проблема ловли гравиволн

Для того чтобы понять практическую ценность телескопа, стоит вспомнить о том, чем являются гравитационные волны. По сути, это колебания времени и пространства, вызываемые взаимодействием массивных объектов, которые распространяются по Вселенной на бесконечные расстояния. Проще говоря, громадные и/или аномально концентрированные объекты Вселенной вызывают череду сжатий и разглаживаний пространственно-временной «глади». Их и сумели засечь ученые кооперации LIGO в конце 2015 года, о чем недавно было объявлено в научных и популярных СМИ.

Установка LIGO.

Установка LIGO. Справа и слева — 4-километровые «плечи» интерферометра.

LIGO использовали для обнаружения гравитационных волн особый лазерный интерферометр. Под углом 90° друг к другу были установлены две 4-километровые трубы с вакуумом внутри, по которым был пущен лазерный луч. Гравитационная волна, проходя сквозь LIGO, искажала пространство — тем самым время прохождения лазерного луча между контрольными точками на концах труб поочередно изменялось. По этим отклонениям и узнали о мощности гравитационной волны и месте, откуда она исходила. Последовательность искажений в обеих ответвлениях LIGO была решающим фактором отделения гравитационной волны от шумов.

Однако в интерферометре LIGO был один большой недостаток, напрочь лишающий его практического использования. А точнее, LIGO находился на Земле — неблагоприятном для изучения космоса месте. Так, даже самые большие наземные телескопы не могут добиться того качества и дальности, которого достигает орбитальный «Хаббл» — все из-за атмосферных помех и различных препятствий на пути световых волн. Для LIGO же препятствиями стали шумы и вибрации — расстроить тонкий аппарат мог проезжающий даже в нескольких километрах автомобиль, мелкие сейсмические сдвиги и ветер.

Строение LISA

Развернутая система LISA в представлении художника

Развернутая система LISA в представлении художника

Именно поэтому проект LISA и был вынесен в космос — в безвоздушном пространстве, без контакта с какими-либо источниками вибраций, точность измерения гравитационных волн будет намного выше. Кроме того, в космосе нет ограничений по площади измерений, присущих на Земле. LISA будет состоять из трех аппаратов, которые составят равносторонний треугольник с плечом длиной в миллион километров — в 250 000 раз больше LIGO! Это позволит телескопу регистрировать волны с амплитудой в 20 пикометров, что меньше размера атома гелия, и частотой 1 около миллигерц.

Но и размеры каждой составляющей LISA теряются по сравнению с расстоянием между ними — поэтому будет использована новая технология пространственной ориентации. В центре каждой части телескопа будет находиться ориентационное ядро — сфера массой 2 килограмма, не закрепленная и находящаяся в свободном полете. По современной концепции гравитации, два защищенных от внешних воздействий тела будут сохранять положение относительно друг друга неизменным. Это и собираются использовать астрономы — ведь не так-то просто удерживать идеальный треугольник в космосе, между точками которого лежит пропасть миллион километров!

Положение LISA относительно Земли

Для того чтобы не теряться в космосе и постоянно быть на связи с Землей, LISA разместят на гелиоцентрической орбите, схожей с орбитой Земли вокруг Солнца — однако отстающей от нашей планеты на 20°. Центральная точка для всех трех компонентов телескопа будет находиться в точке Лагранжа L3 системы Земля-Солнце. Такая «вращающаяся» орбита вокруг точки Лагранжа еще называется «орбитой Лиссажу», названной на честь ее изобретателя — французского математика Жюля Антуана Лиссажу.

Точки Лагранжа системы Солнце-Земля

Точки Лагранжа системы Солнце-Земля

Что такое точка Лагранжа? Все базируется на концепции, рассчитанной математиком и физиком Жозефом Лагранжем еще в 1772 году. Природа гравитационного взаимодействия такова, что когда одно массивное тело вращается вокруг другого — как Луна вокруг Земли, или Земля вокруг Солнца — возле него возникает 5 стабильных гравитационных точек, именуемых также точками Лагранжа. В этих точках третье тело, размеры и масса которого относительно малы, вроде космического спутника, будет оставаться неподвижным относительно первых двух массивных тел.

Проще говоря — там, где вращается два больших тела, всегда есть точки Лагранжа, в которых находятся безопасные места для вращения еще 5 маленьких тел. Причем эти стабильные точки обеспечивают безопасность достаточно агрессивно — однажды попав в «клетку», объекту будет сложно вырваться. Интересно, что первоначально Лагранж придумал концепцию точек для поиска неоткрытых естественных спутников Земли — а сейчас точки Лагранжа активно используются спутниками искусственными.

Космический телескоп Гершель

Космический телескоп Гершель тоже находится в точке Лагранжа. Фон картинки скомпонирован из снимков, полученных телескопом.

Кроме всей аппаратуры, связанной с лазерными лучами и ориентацией в пространстве, LISA будет нести стандартный для космического телескопа набор инструментов — антенны для внутренней связи и управления с Земли, оптические телескопы для навигации по звездам, противорадиационную защиту и компьютерное оборудование.

LISA Pathfinder — первопроходец тернистого пути

Как вы сами можете видеть, проект LISA под завязку нагружен различными передовыми технологиями. Лазерные устройства для улавливания невидимых гравитационных волн и революционная система пространственной навигации еще ни разу не использовались в космосе на деле. Кроме того, всегда может случиться что-то непредвиденное учеными и инженерами. Для разведки фактического положения дел 3 декабря 2015 года был запущен LISA Pathfinder (англ. «первопроходец»).

2,9×2,1 метровый Pathfinder представляет собой уменьшенную копию как и отдельной составляющей проектной LISA, так и всего комплекса телескопа. Закинутый сперва на НОО (Низкую Опорную Орбиту) Земли, он постепенно отдалился на 800 тысяч километров от Земли, выйдя тем самым на орбиту Лиссажу — но, в отличие от будущей орбиты LISA, на точку Лагранжа L1, а не L3.

Модель LISA Pathfinder

Модель LISA Pathfinder

Главная цель запуска LISA Pathfinder — это тестирование системы навигации, базированной на свободно висящих контрольных телах. В Pathfinder они расположены не за миллионы километров, но на расстоянии 38 сантиметров друг от друга — зато регулируются высокоточным лазерным датчиком, способным засечь сдвиги меньше чем на 0,01 нанометра. Так ученые заодно и протестируют лучевую оптическую систему, которая в финальной версии будет использоваться для детектирования гравитационных волн.

Из статьи вы уже знаете, что высокоточные лазерные измерения требуют полной нейтральности окружающей среды. Космос тут намного выгоднее, чем поверхность Земли — здесь нет вибраций, которые создают воздушные массы, механизмы и твердые оболочки планеты. Но даже в открытом пространстве есть свои препятствия. Например, Солнце может неравномерно нагревать корпус LISA, а солнечный ветер ионизирует частицы и создавать магнитные поля. Да и сама аппаратура может нагреваться и создавать помехи.

Магнитное поле Земли защищает планету от солнечного ветра. В спутников такой мощной защиты нет.

Магнитное поле Земли защищает планету от солнечного ветра. В спутников такой мощной защиты нет.

Это некритично все для большинства других спутников — однако неизвестно, как это будет влиять на системы LISA. Поэтому Pathfinder оснащен не только тестовыми системами защиты, высокоточными термометрами и магнетометрами, но и симулятором нагрева — специальная система будет раскалять аппарат в разных местах, чтобы выяснить, какой это будет иметь эффект. Полученные данные позволят создать программные фильтры, избавляющие данные от помех и создающие точную картину гравитационных волн для будущей системы LISA.

Практическая ценность LISA

Как мы видим, телескоп LISA — это сложная система, которая поставит вызов не только ученым и инженерам, но и космонавигаторам. Кроме того, сам проект движется на гребне волны научных открытий. Буквально на днях само было доказано само существование гравитационных волн — а команда LISA планирует использовать их для изучения Вселенной. Так что настолько ценное может предложить проект, что заставляет ученых и инвесторов идти на риск?

До сих пор изучение отдаленных участков Вселенной базировалось на весьма относительной картинке — световом излучении в различных диапазонах и радиоволнах. Они дают астрономам приблизительные данные о цвете, светимости и размере объектов, но заставляют гадать об их массе и составе. Эти данные получают уже астрофизики с помощью сравнивания открытых объектов между собой — но плоды их трудов неточные и не поддаются проверке.

Двойная звездная система, в которой одна звезда перетягивает вещество из другой — мощный источник гравитационных волн.

Двойная звездная система, в которой одна звезда перетягивает вещество из другой — мощный источник гравитационных волн.

Гравитационные волны открывают новое измерение в наблюдаемой Вселенной — мир больших масс. LISA сможет с точностью регистрировать параметры объектов, генерирующих волны: двойных звезд Млечного пути, черных дыр других галактик и сверхновых. Это дает большие перспективы. Например, узнав точную массу и скорость движения звезды в двойной системе, мы сможем уточнить те же параметры для одиночной звезды того же спектрального класса. А еще LISA сможет регистрировать реликтовые гравитационные волны — остатки от Большого взрыва.

Однако такие возможности будут дорого стоить научному сообществу. Так, LISA будет разрабатываться до конца еще 8 лет — а уже запущенный Pathfinder обошелся аж в 400 миллионов евро. Стоит также отметить, что весь проект Европейское космическое агентство финансирует в одиночку — NASA покинуло разработку LISA в 2011 году, сославшись на нехватку средств.


comments powered by HyperComments

Подпишись на рассылку лучших статей от Spacegid.com. Без спама.
Нажимая на "Подписаться", вы даете согласие на обработку персональных данных

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 1206
Система Orphus