Телескоп 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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.