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

Как инженеры-разработчики LISA Pathfinder добились этого потрясающего результата? Шесть стенок первой камеры оснащены емкостными датчиками, позволяющими с высокой точностью измерять просветы между каждой стенкой и парящим в невесомости кубом (назовем его контрольным грузом № 1). Как только куб отклоняется от центрального положения (вероятнее всего, под воздействием давления солнечной радиации на наружную оболочку космического аппарата или какой-либо другой внешней силы), микродвигатели корректируют положение аппарата в пространстве, выбрасывая крохотное количество газообразного азота. Таким образом, аппарат «следует» за движением контрольного груза № 1 по солнечной орбите.

Однако состояние контрольного груза № 1 не является идеальным свободным падением в силу вышеупомянутых слабых воздействий. Ученые хотят получить точную оценку этих эффектов, чтобы узнать, насколько созданная среда близка к невозмущенной. Как мы знаем, остаточные силы немного по-разному действуют на два куба. Со временем контрольные грузы № 1 и № 2 начнут слегка смещаться относительно друг друга. Поскольку корабль следует за грузом № 1, груз № 2 вскоре коснется внутренней стенки своей камеры.

Электростатическое поле внутренних стенок второй камеры воздействуют на контрольный груз № 2, возвращая его обратно, как только он приходит в движение. Расходуемый при этом ток позволяет судить об относительных перемещениях и ускорениях кубов. Чем меньше необходимая корректирующая сила, тем лучше.

LISA Pathfinder оборудован маленьким интерферометром, состоящим из двух лазерных плеч и 22 зеркал и светоделителей. Интерферометр находится между защитными корпусами контрольных грузов. Он точно измеряет слабейшие изменения расстояния и ориентации кубиков из драгоценного сплава. Его задача – продемонстрировать возможность измерения расстояний в космосе с точностью до пикометра. Точность интерферометра в несколько тысяч раз выше, чем емкостных датчиков.

В LISA Pathfinder тестируются практически все новые технологии будущей Лазерно-интерферометрической космической антенны. Единственное, чего Pathfinder не будет делать – регистрировать гравитационные волны, поскольку для этого он слишком мал.

Зачем вообще мерить гравитационные волны в космосе? Как вы помните, наземные детекторы, например LIGO и Virgo, чувствительны к волнам Эйнштейна с частотами от 10 Гц до 1000 Гц. На Земле регистрация волн существенно меньшей частоты невозможна, поскольку ниже нескольких герц сейсмический шум окружающей среды слишком силен. В невозмущенной среде космоса ничто не мешает измерять низкочастотные волны, если интерферометр имеет достаточно длинные плечи. Длина плеч LISA составит несколько миллионов километров, следовательно, он будет способен фиксировать гравитационные волны частотой от 1/10 000 Гц (100 мкГц) до 1 Гц. Это заполнит разрыв между высокочастотными измерениями наземных интерферометров и наногерцовыми – решеток для наблюдения за временнóй динамикой пульсаров, о которых рассказывалось в главе 13.

Значит ли это, что астрономы рассчитывают зарегистрировать возмущения пространственно-временного континуума в среднем диапазоне? Да, безусловно. Тесные двойные системы белых карликов в нашей галактике постоянно излучают гравитационные волны в этом интервале частот, как и двойные ЧД звездной массы за несколько месяцев или лет до столкновения и слияния. Более того, космическая обсерватория сможет наблюдать слияние двойных сверхмассивных ЧД в других галактиках Вселенной. В конце этой главы я вернусь к разговору о потенциальных источниках гравитационных волн. Пока остановимся на том, что астрономы всегда были убеждены в необходимости перенести поиск в космос.

Одного убеждения, однако, недостаточно для осуществления сложной и дорогостоящей программы. Проект LISA прошел долгий тернистый путь – это история преодоления бесчисленных препятствий и заминок длиной в несколько десятилетий.

_________

Мысль о создании детектора гравитационных волн космического базирования возникла еще в середине 1970-х гг. Когда LIGO был не более чем далекой мечтой, Рэй Вайсс проработал почти все детали этого проекта в статье, опубликованной в Quarterly Progress Report в 1972 г. Его первоначальный замысел предполагал наземный лазерный интерферометр в километр длиной. Но не лучше ли построить его в космосе, где отсутствуют проблемы внешних вибраций и подвеса зеркал?