Радикальная идея может сделать будущую космическую миссию в 100 раз более мощной
Первое обнаружение гравитационных волн (ГВ) исследователями Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в 2015 году вызвало революцию в астрономии. Это явление состоит из ряби в пространстве-времени, вызванной слиянием массивных объектов, и было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна за столетие до этого.
В ближайшие годы эта бурно развивающаяся область значительно продвинется благодаря введению обсерваторий следующего поколения, таких как космическая антенна лазерного интерферометра (LISA).
Благодаря большей чувствительности астрономы смогут отслеживать события GW до их источника и использовать их для исследования внутренних частей экзотических объектов и законы физики. В рамках цикла планирования «Вояжа-2050» Европейское космическое агентство (ЕКА) рассматривает темы миссий, которые могут быть готовы к 2050 году, включая астрономию GW.
В недавней статье исследователи из отдела анализа миссий ЕКА а Университет Глазго представил новую концепцию, основанную на LISA, известную как LISAmax. Как они сообщают, эта обсерватория потенциально может улучшить чувствительность GW на два порядка.
Исследование возглавил физик-теоретик доктор Вальдемар Мартенс, аналитик миссии в Европейском центре космических операций ЕКА (ESOC) в Дармштадте. , Германия. К нему присоединились аэрокосмический инженер и астрофизик Майкл Хан, также аналитик миссий в ESOC, и астрофизик д-р Жан-Батист Бейль, научный сотрудник по астрономии и астрофизике Университета Глазго.
Документ, который описывает их результаты недавно появились в Интернете и в настоящее время рассматриваются для публикации в журнале Classical and Quantum Gravity.
Поскольку они были впервые обнаружены учеными LIGO в 2015 году, исследователи из LIGO и других обсерватории по всему миру уточнили типы событий GW, которые они могут обнаруживать. Сюда входят обсерватория Девы в Италии (недалеко от Пизы) и детектор гравитационных волн Камиока (KAGRA) в Хида, Япония. С тех пор эти обсерватории стали партнерами LIGO, сформировав сотрудничество Ligo-Virgo-KAGRA (LVK).
Усилия этих и других обсерваторий, а также обновления, которые обеспечили повышенную чувствительность, увеличили количество обнаруженных событий. и даже проследил некоторые из их источников.
Как сказал д-р Мартенс Universe Today по электронной почте, эта новаторская работа была неоценимой. Но, как и во всех формах астрономии, будущий прогресс частично зависит от наличия обсерваторий в космосе:
«Теперь, когда нет никаких сомнений в том, что гравитационные волны можно измерить, астрономы хотят использовать их в качестве дополнительный источник информации там, где раньше были доступны только электромагнитные волны.
Наземные детекторы, такие как LIGO/Virgo/Kagra, чувствительны в диапазоне частот от десятков герц до нескольких килогерц, что делает их чувствительными к источникам, таким как слияния черных дыр в несколько десятков солнечных масс.
«Однако известно, что гораздо более крупные объекты, такие как сверхмассивные черные дыры (>10^6 солнечных масс ), существуют в центре галактик. Слияния этих объектов производят гравитационные волны намного ниже диапазона чувствительности наземных детекторов.
Чтобы их увидеть, мы должны отправиться в космос и построить обсерваторию, подобную LISA, с длиной плеча 2,5. миллионов км.»
На данный момент астрономы обнаружили события ГВ, вызванные двойными черными дырами (ЧД) или двойными нейтронными звездами (события килоновой), когда сопутствующие тела в конечном итоге сливались. Также предполагается, что есть много других потенциальных источников, и изучение этих событий может продвинуть наше понимание Вселенной.
«Среди них первичные гравитационные волны, которые были произведены в ходе процессов, происходящих через долю секунды после Большого Взрыв, — сказал доктор Мартенс. — Мы надеемся, что LISA сможет их обнаружить, но пока это неясно. Это одна из причин, по которой детекторы с более высокой чувствительностью и/или другими частотными диапазонами рассматриваются для Voyage 2050.»
«Вояж-2050» — это последний цикл планирования, который станет частью научной программы агентства, основой и основной «обязательной программой» Европейского космического агентства. Все государства-члены должны внести свой вклад , а научные цели, предложения и финансирование выбираются единогласно.
Эти циклы направлены на установление долгосрочного горизонта финансирования, который позволяет государствам-членам заранее планировать свои приоритеты и предоставлять Европейскому научному сообществу с четким видением того, какие области исследований заслуживают инвестиций и развития.
С 1980-х годов программа планировалась с циклами примерно в 20 лет, что соответствует количеству времени, необходимому для подготовки амбициозных космических миссий.
Первый цикл планирования (Horizon 2000) был установлен в 1984 году и состоял из решений, которые привели к миссиям Солнечной и гелиосферной обсерватории (SOHO), Cluster, Rosetta, XMM-Newton и Herschel с середины 1990-х годов. к началу 21 века. В 2005 году был запущен дополнительный цикл планирования (Cosmic Vision), включающий предложения миссий, которые будут реализованы в период с 2015 по 2025 год.
Это подготовило почву для таких миссий, как недавно запущенный Jupiter ICy moons Explorer (JUICE). а также рентгеновскую обсерваторию Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA) и миссии LISA, которые планируется запустить к 2030-м годам.
Самый последний цикл, Voyage 2050, был инициирован научным директором ESA Кэрол Манделл. выбрать научные свойства для продолжения миссий ATHENA и LISA.
Хотя эти миссии изменят правила игры, особенно в сотрудничестве, д-р Мартенс и его коллеги предлагают способы дальнейшего улучшения миссии LISA. .
Как он объяснил:
«Основная идея LISAmax заключается в обнаружении GW даже на более низких частотах, чем может сделать LISA. Чтобы быть чувствительным к этим частотам, нужно должны увеличить лазерные плечи детектора.
Большие плечи означают большие длины волн и, следовательно, более низкие частоты. Три космических аппарата LISAmax расположены близко к треугольным точкам Лагранжа в системе Солнце-Земля, что дает детектору длину плеча 259 млн км.
Для сравнения, длина плеча LISA составляет 2,5 млн км. . Это делает LISAmax чувствительным к ГВ в диапазоне микрогерц и открывает новое окно для астрономии ГВ.
«Вообще говоря, любой источник, который может быть измерен с помощью LISA ниже 1 мГц, может быть измерен с помощью LISAmax на отношение сигнал/шум примерно на два порядка лучше.
Примером, который обсуждается в статье, является инспиральная фаза сверхмассивных двойных черных дыр. В то время как LISA сможет видеть только такие источники незадолго до окончательного слияния LISAmax может наблюдать за этими объектами за тысячи лет до этого, что позволяет гораздо точнее измерить определенные параметры».
Научное сообщество исследует эту концепцию, которая может имеют серьезные последствия для будущего GW-астрономии. В дополнение к расширению диапазона GW-событий, которые могут быть обнаружены, обсерватории GW следующего поколения могут отслеживать больше событий до их источников.
Кроме того, астрономы ожидают, что GW позволят им исследовать законов физики, исследовать внутренности экстремальных объектов и даже помогать в изучении планет и спутников.
Предложение, выдвинутое доктором Мартенсом и его коллегами, является одной из нескольких концепций GW, представленных ЕКА для Путешествия. Программа 2050. Эти концепции включают в себя космический интерферометр, который будет исследовать небо на наличие ГВ в диапазоне частот от миллигерц до микрогерц (от мГц до мкГц).
Другой предлагает, как интерферометры, чувствительные к ГВ, в диапазоне мегагерц можно было бы использовать, чтобы узнать больше о природе черных дыр. Другие показывают, как наблюдения в диапазоне децигерц (дГц) могли обеспечить «недостающее звено» для астрономии GW, в то время как астрономия с большими углами могла бы помочь проследить GW до их источника.
Исследования физики ранних Вселенная, которая включает в себя изучение первичных гравитационных волн, также является основной темой программы ЕКА «Вояж-2050». Изучая ГВ, созданные в инфляционную эпоху, ученые, наконец, смогут исследовать физику и микрофизику этого раннего космического периода.
Эта статья была первоначально опубликована Universe Today. Прочтите исходную статью.
