LISA: важнейшая космическая миссия века и охота на гравитационные волны

Человечество готовится к запуску одной из самых амбициозных космических миссий в истории. Через 11 лет в свое путешествие отправится Лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA) - уникальная космическая обсерватория, состоящая из трех аппаратов. Эта система будет обнаруживать гравитационные волны и, возможно, со временем полностью изменит наше понимание Вселенной.

LISA продолжит традицию революционных космических телескопов, таких как Хаббл и недавно запущенный телескоп Джеймса Уэбба. Однако она будет работать совершенно по-новому и откроет ученым доступ к самым загадочным явлениям во Вселенной.

Гравитационные волны - это почти неуловимые колебания пространства-времени, вызванные движением самых массивных объектов во Вселенной: нейтронных звезд и черных дыр. Эти волны распространяются со скоростью света, но не являются светом. Они искривляют пространство, и только самые чувствительные приборы могут их обнаружить.

Если быть точнее, LISA сможет фиксировать источники гравитационных волн, недоступные наземным детекторам. Сюда входят компактные объекты, захваченные сверхмассивными черными дырами, и слияния сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Кроме того, ученые смогут наблюдать за слиянием белых карликов в нашем Млечном Пути и слиянием черных дыр промежуточных масс, существование которых пока не доказано.

В 2016 году коллаборации LIGO и Virgo впервые зафиксировали гравитационные волны, подтвердив предсказание Альберта Эйнштейна, сделанное столетием ранее. С тех пор детекторы сети LIGO-Virgo-KAGRA зарегистрировали уже более 100 событий, связанных с ними.

Чем они так интересны? Гравитационные волны несут богатую информацию о системах, которые их порождают. С помощью этих данных мы можем пересматривать свои представления о возможных размерах, окружении и механике черных дыр и нейтронных звезд. Для понимания эволюции Вселенной это поистине бесценная информация.

Однако идея родилась задолго до первых обнаружений гравитационных волн. Теоретические основы проекта заложил физик Пит Бендер более 30 лет назад. Реальные очертания миссия начала приобретать в конце 1990-х годов. В январе 2024 года Европейское космическое агентство (ESA) официально одобрило проект, дав ему "зеленый свет".

"LISA настолько сложна, что поначалу, когда ее предложили, никто не верил, что это возможно", - рассказывает Юэн Фицсиммонс, исследователь из Центра астрономических технологий Великобритании при Королевской обсерватории Эдинбурга. Фицсиммонс работает над проектом LISA уже 18 лет, начиная с миссии-предшественника LISA Pathfinder.

В отличие от наземных детекторов гравитационных волн, таких как LIGO, LISA будет работать в космосе. Космические аппараты образуют равносторонний треугольник со сторонами длиной 2,5 миллиона километров. Это почти в два раза больше диаметра Солнца!

Составляющие системы будут вращаться вокруг Солнца по орбите, похожей на земную, но немного позади нашей планеты. Такая конфигурация позволит избежать помех, с которыми сталкиваются наземные детекторы: вибраций от проезжающих поездов, ветра и даже сейсмической активности Земли.

Принцип основан на лазерной интерферометрии. Лазерные лучи будут путешествовать между космическими аппаратами, а ученые будут измерять время их прохождения. Когда гравитационная волна проходит через систему, она слегка изменяет расстояние между аппаратами. Это будет заметно по изменению времени прохождения лазерного луча.

Фактически, LISA сможет регистрировать волны от объектов массой от 10^4 до 10^7 солнечных масс.

Одна из ключевых технологий LISA - это телескопы на борту каждого космического аппарата. Однако их лучше называть "расширителями луча", поясняет Райан ДеРоза, руководитель проекта. Эти устройства увеличивают радиус лазерного луча в несколько сотен раз, чтобы компенсировать его рассеивание на огромном расстоянии между аппаратами.

Проект оценивается в 1,6 миллиарда долларов. Сейчас команды ESA и NASA занимаются созданием реального оборудования, которое отправится в космос. "Самая большая проблема с LISA заключается в том, чтобы убедиться, что она работает, потому что многие составляющие нельзя протестировать на Земле", - отмечает Фицсиммонс.

Инженеры сталкиваются с множеством технических вызовов. Например, телескоп LISA полностью сделан из стекла, чтобы минимизировать тепловое расширение, которое могло бы повлиять на точность измерений. Однако стекло - хрупкий материал, и его нужно будет доставить в космос в целости и сохранности, преодолев все нагрузки при запуске ракеты.

Еще одним важным компонентом LISA являются оптические скамьи. Они обеспечивают опорную плоскость для всех измерений и самого телескопа. Оптические скамьи собираются с использованием специализированной роботизированной системы интеграции, которая крепит элементы к базовой пластине с пикометровой точностью. Большая часть скамьи также изготовлена из стекла и керамики, а для соединения компонентов используется технология гидроксидно-каталитического связывания.

Несмотря на все сложности, ученые с нетерпением ждут запуска LISA. Эта миссия обещает открыть новую эру в изучении черных дыр и того, как они формируют пространство-время. Возможно, LISA станет ключевым проектом века в области астрофизики, если Илон Маск не придумает что-нибудь покруче.