Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Что такое LISA Pathfinder? Название говорит само за себя[121]. Это целеуказатель лазерно-интерферометрической космической антенны – гигантской антенны, ищущей гравитационные волны в космосе. LISA станет колоссальной космической версией LIGO. Лазерные импульсы будут переотражаться в системе зеркал и телескопов между тремя космическими аппаратами, образующими группу на расстоянии нескольких миллионов километров друг от друга. Чувствительные интерферометры будут измерять ничтожные изменения расстояния между контрольными грузами – кубиками внутри аппаратов, – вызванные проходящими низкочастотными гравитационными волнами.

Никто никогда не регистрировал волны Эйнштейна в космосе. Строительство и запуск LISA без предварительного тестирования необходимых технологий – рывок в неизведанное, как если бы Орвилл и Уилбур Райты решили не тратить время на «Флайер», а сразу взялись за «Боинг-747». В определенном смысле LISA Pathfinder – это «Флайер» братьев Райт в гравитационно-волновой астрономии космического базирования.

В наземных детекторах контрольными грузами служат зеркала в обоих концах плеч интерферометра. Они слегка сближаются и отдаляются при прохождении гравитационной волны. Как мы знаем, изменения дистанции между ними чрезвычайно малы – намного меньше диаметра протона. Поэтому зеркала необходимо изолировать от любых высокочастотных колебаний, которые могут возникать в окружающем пространстве. В сущности, это главная сложность при создании таких лазерных интерферометров, как LIGO и Virgo.

В космосе нет грохочущих грузовиков и захлопывающихся дверей. Это гораздо более спокойная среда, но и там присутствуют многочисленные нежелательные воздействия. Спутники сотрясает излучение Солнца – солнечный свет оказывает слабое, но ощутимое давление. В любой момент с любой стороны может ударить микрометеорит или молекула газа, из атмосферы Земли и других планет. Заряженные частицы, которые Солнце выбрасывает в пространство, небольшие изменения температуры, магнитные поля, высокоэнергичное космическое излучение – множество помех угрожают регистрации волн Эйнштейна.

Лучший способ защитить контрольный груз от любых нежелательных воздействий – заключить его в пустотелый космический аппарат. Давление солнечного излучения или удар пылевой частицы может изменить направление движения аппарата, но он скорректирует свое положение относительно размещенного внутри контрольного груза с помощью двигателей малой тяги. Тогда на контрольный груз будет влиять только гравитация Солнца и планет – это и есть «свободное падение».

Впрочем, как обычно, не все так просто. Слабые силы действуют на контрольный груз и в недрах пустотелого космического корабля. Даже в глубоком вакууме всегда присутствуют атомы газа. Определенное влияние оказывают перепады температуры и магнитные поля. Медленное накопление электрического заряда на контрольном грузе может вызвать его крохотное смещение. Слабые гравитационные воздействия самого космического аппарата не бывают строго симметричными. Более того, они меняются, поскольку микродвигатели расходуют топливо. Чтобы узнать, удалось ли добиться идеального свободного падения контрольного груза, необходимо учесть все эти слабые силы и ускорения. Однако это невозможно, если аппарат всегда «делает то же самое», что и груз, который он несет, – отсутствуют эталонные измерения.

Вот зачем нужен второй контрольный груз. Побочные эффекты у двух контрольных грузов не могут быть совершенно одинаковыми. Если оба находятся в состоянии идеального, ничем не нарушаемого свободного падения, их взаимное расстояние и ориентация остаются неизменными. Под влиянием второстепенных воздействий внутри пустотелого космического аппарата два контрольных груза начнут медленно смещаться один относительно другого. Если вы сумеете измерить это крохотное смещение, то получите отличный показатель достигнутой степени «невозмущенности» системы.

Главная задача LISA Pathfinder – продемонстрировать способность обеспечивать полный, ничем не нарушаемый покой. Контрольные грузы в форме куба со стороной 46 мм сделаны из сплава 73 % золота и 27 % платины. Выбор материала обусловлен низкой магнитной восприимчивостью и высокой плотностью: каждый куб весит почти 2 кг. Аналогичные контрольные грузы в будущем будут использоваться в полномасштабном детекторе LISA. Стоит такой кубик около $70 000 (без учета намного более дорогого процесса высокоточной механической обработки). Контрольные грузы LISA Pathfinder, вероятно, являются самыми дорогостоящими изделиями из металлических сплавов, когда-либо запущенными в космос, – и самыми необычными «пресс-папье» в истории.

Два куба из золота и платины будут парить в невесомости, каждый в собственной маленькой полости в недрах корабля. Их вместилища из молибдена разнесены на 38 см. Они также имеют форму куба со стороной 54 мм. Между каждой гранью контрольного груза и стенкой камеры остается зазор всего в 4 мм. Там действительно тесно! Разумеется, кубы никогда не должны касаться внутренних стен своей темницы.