По окончании подтверждения регистрации гравитационных волн во всём мире быстро возрос интерес к изучению их природы. Проекты астрофизиков, ещё сравнительно не так давно казавшиеся вызывающими большие сомнения, приобрели статус перспективных и новые инвестиции. В 2028 – 2034 годах планируется создать грандиозную обсерваторию, в 240 тысяч раз превосходящую по размерам LIGO. Её строительство уже началось, и сейчас ЕКА совместно с НАСА сказали об успешном опробовании тестового модуля.
Космический лазерный интерферометр eLISA (изображение: ESA).
Продолжительное время мы следили за космосом, пробуя заметить далёкие галактики, отдельные звёзды, (экзо)другие объекты и планеты в телескопы. Одни небесные тела светились сами, другие были видны в отражённом либо проходящем свете. Одновременно с этим многие из них были недоступны прямому наблюдению. Они не испускали свет, прятались в газопылевых туманностях либо заслонялись вторыми скоплениями звёзд. Тогда на помощь пришла радиоастрономия, ИК-гамма обсерватории и-телескопы.
Но все эти инструменты только расширяли регистрируемый спектр электромагнитных волн, порождаемых космическими процессами и небесными телами. На расстояниях в миллиарды километров видятся и такие препятствия, каковые оказываются непрозрачными для ЭМИ всех типов. Астрофизики предполагают, что гравитационные волны окажут помощь нам получить данные об этих невидимых объектах.
Детектор eLISA содержит два позолоченных куба (изображение: ESA).
По своим параметрам гравитационные волны находятся ближе к звуковым, чем к электромагнитным, не смотря на то, что и движутся со скоростью света. Это распространяющееся возмущение самой ткани пространства-времени, которое вызывает чуть уловимые трансформации в ней. Тут, на Земле они смогут наблюдаться только в субатомных пределах – по трансформации относительного расстояния тестовой совокупности на 10-19 м и меньше на километр.
Говоря поэтическим языком, детекторы гравитационных волн разрешат нам в первый раз услышать космос, регистрируя сигналы нового типа. В отличие от ЭМИ, они фактически не встречают препятствий на своём пути. Посредством них исследователи сохраняют надежду взять новые информацию о ранних этапах развития Вселенной и проверить космологические концепции.
Детекторы LIGO выполняют измерения вот уже четырнадцатый год. За это время они смогли найти только единичный сигнал в диапазоне сотен и десятков герц. По предварительным оценкам он был следом редкого космического феномена – последней фазы слияния чёрных дыр в двойной совокупности. Таковой скудный улов разъясняется легко: из-за ограничения по длине плеч интерферометра у выстроенных лазерных обсерваторий довольно низкая чувствительность и весьма узкий рабочий диапазон.
Кип Торн, Стивен Хокинг и другие физики предполагают, что существует множество вторых источников гравитационных волн с другими параметрами. В соответствии с ОТО, периодические возмущения пространства должны исходить от любых массивных объектов при их перемещении относительно друг друга. К примеру, от двойных совокупностей с нейтронными звёздами, пульсарами и магнетарами, и при вращении сверхмассивных чёрных дыр в галактических центрах.
Схема космического лазерного интерферометра eLISA (изображение: physastro.pomona.edu).
Источников гравитационных волн в видимой части Вселенной должно быть предостаточно, дабы их ежедневная регистрация стала рутинным процессом. Неприятность только в том, что они будут очень сильно размыты по спектру, а большая часть из них окажется значительно не сильный зарегистрированных 14 сентября 2015 года.
Наблюдения при помощи радиотелескопов и теоретическое моделирование дают основания высказать предположение, что гравитационные волны в основном видятся в частотном диапазоне от 0,1 до 100 миллигерц. Для их обнаружения потребуется сделать интерферометр невиданных масштабов.
Протяженность плеч лазерного интерферометра составит от одного до пяти миллионов километров (изображение: ESA).
Наземные детекторы LIGO и VIRGO имеют последовательность фундаментальных ограничений. К примеру, их через чур сложно сделать дольше нескольких километров, а трудиться им приходится на фоне сейсмической активности и множества вторых источников колебаний.
Преодолеть эти ограничения возможно, только выйдя за пределы Почвы. Исходя из этого проводить главные наблюдения за искривлениями пространства уже в ближайшее время будут из космоса. Три космических корабля образуют вершины равностороннего треугольника и создадут двухлучевой интерферометр с длиной каждого плеча от одного до пяти миллионов километров. Именоваться он будет eLISA – (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) – улучшенная космическая антенна лазерного интерферометра. В качестве источника когерентного света в нём употребляется твёрдотельный лазер с активной средой из алюмо-иттриевого граната (YAG) легированного ионами неодима.
Устройство eLISA (изображение: elisascience.org).
Первый элемент “Элизы” – тестовый модуль LISA Pathfinder, уже выведен на орбиту. 22 января 2016 года (через шесть недель по окончании запуска) он достиг точки Лагранжа L1 совокупности Почва – Солнце, расположенной в полутора миллионах километров от Почвы. Сейчас, 15 февраля, он удачно прошёл второй тест и доказал принципиальную возможность создания орбитального интерферометра с заявленными параметрами.
Не обращая внимания на размещение в стабильных точках Лагранжа, спутники eLISA будут непроизвольно изменять собственное положение в пространстве из-за влияния солнечного ветра. Корректировать его будет автоматическая совокупность, складывающаяся из массива ионных двигателей.
Ионные двигатели eLISA (изображение: elisascience.org).
Сама измерительная аппаратура максимально изолирована от внешних действий. Она не просто на порядки чувствительнее установленной в LIGO – это значительно более универсальный инструмент. В eLISA определяется сдвиг фазы лазерного луча, что разрешает измерять поляризацию гравитационных волн, определять направление на их источник а также выстроить карту неба.
Контролировать кое-какие эти eLISA планируется при помощи гамма-обсерватории Ферми. Она уже подтвердила обнаружение детекторами LIGO слияния двух чёрных дыр. Кроме гравитационной волны, они данный процесс породили и гамма-всплеск, что был зафиксирован спустя 0,4 с по окончании сигнала GW150914.
Перемещение спутников eLISA на гелиоцентрической орбите (анимация: Nicolas Douillet).
Посредством eLISA астрофизики смогут конкретно изучать гравитацию – фундаментальный тип сотрудничества между любыми телами, владеющими массой. Регистрация гравитационных волн в широком диапазоне разрешит лучше осознать процесс образования двойных совокупностей в отечественной галактике, замечать объединение больших черных дыр (впредь до значений красного смещения z ~ 20), взять представление о ранних этапах развития Вселенной и проверить теорию её эволюции с ускоряющимся расширением. Возможно анализ гравитационных волн разрешит лучше осознать саму природу пространства и подтвердить существование бран, обрисованных в теории струн.