Первое обнаружение гравитационных волн (GW) 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 за столетие до этого в общей теории относительности Эйнштейна. В ближайшие годы эта развивающаяся область значительно продвинется вперед благодаря внедрению обсерваторий нового поколения, таких как космическая антенна лазерного интерферометра (LISA). С большей чувствительностью астрономы смогут проследить события GW до их источника и использовать их для исследования внутренностей экзотических объектов и законов 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 и Университета Глазго представили новую концепцию, основанную на LISA, известную как LISAmax. Как они сообщают, эта обсерватория потенциально может улучшить чувствительность GW на два порядка.
Исследованием руководил 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 доктор Жан-Батист Бейль, научный сотрудник по астрономии и астрофизике Университета Глазго. Статья, описывающая их результаты, недавно появилась онлайн на сервере препринтов arXiv и в настоящее время рассматривается для публикации в журнале Classical and Quantum Gravity. Поскольку они были впервые обнаружены учеными LIGO в 2015 году, исследователи из LIGO и других обсерваторий по всему миру усовершенствовали 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, умножили количество обнаруженных событий и даже отследили 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 сомнений в том, что гравитационные волны можно измерить, астрономы хотят использовать их в качестве дополнительного источника информации там, где раньше были доступны только электромагнитные волны. Наземные детекторы, такие как LIGO/Virgo/Kagra, чувствительны в частотном диапазоне от десятков герц до нескольких килогерц, что делает их чувствительными к таким источникам, как слияния черных дыр с массой в несколько десятков солнечных. «Однако известно, что в центрах галактик существуют гораздо более крупные объекты, такие как сверхмассивные черные дыры (>10 ^ 6 масс Солнца). Слияния этих объектов производят гравитационные волны намного ниже диапазона чувствительности наземных детекторов. Чтобы увидеть их, мы должны отправиться в космос и построить обсерваторию, подобную LISA, с длиной плеча 2,5 миллиона километров».
До сих пор астрономы обнаруживали события GW, вызванные двойными черными дырами (BBH) или двойными нейтронными звездами (события килоновой), где со-орбитальные 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, возникшие в ходе процессов, происходящих через долю секунды после Большого взрыва», — сказал доктор Мартенс. «Мы надеемся, что LISA сможет их обнаружить, но пока это не ясно. Это одна из причин, по которой для Voyage 2050 рассматриваются детекторы с более высокой чувствительностью и/или другими частотными диапазонами». «Вояджер-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 единогласным решением. Эти циклы направлены на установление долгосрочного горизонта финансирования, который позволяет государствам-членам заранее планировать свои приоритеты и дает европейскому научному сообществу четкое представление о том, 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 до начала 21 века. В 2005 году был запущен дополнительный цикл планирования (Cosmic Vision), включающий предложения миссии, которые будут реализованы в период с 2015 по 2025 год. Это подготовило почву для таких миссий, как недавно запущенный Jupiter ICy moons Explorer (JUICE) и рентгеновская обсерватория Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA), а также миссии LISA, запуск которых запланирован на 2030-е годы. Самый последний цикл, «Вояж-2050», был инициирован директором по науке ЕКА Кэрол Манделл, чтобы выбрать научные свойства для продолжения миссий ATHENA и LISA. Хотя эти миссии изменят правила игры, особенно в сотрудничестве, доктор Мартенс и его коллеги предлагают способы дальнейшего улучшения миссии LISA. Как он объяснил:
«Основная идея LISAmax состоит в том, чтобы обнаруживать GW даже на более низких частотах, чем то, что может делать LISA. Чтобы быть чувствительным к этим частотам, необходимо увеличить лазерные плечи детектора. Большие плечи означают большие длины волн и, следовательно, более низкие частоты. три космических аппарата LISAmax размещены вблизи треугольных точек Лагранжа в системе Солнце-Земля, что дает детектору длину плеча 259 млн км.Для сравнения длина плеча LISAmax составляет 2,5 млн км.Это делает LISAmax чувствительным к GW диапазоне микрогерц и открывает новое окно для GW-астрономии». «Вообще говоря, любой источник, который может быть измерен с помощью LISA ниже 1 мГц, может быть измерен с помощью LISAmax при соотношении сигнал/шум, которое примерно на два порядка лучше. Примером, который обсуждается в статье, является фаза вдоха двойные сверхмассивные черные дыры. В то время как LISA сможет увидеть такие источники только незадолго до финального события слияния, LISAmax может наблюдать эти объекты за тысячи лет до этого, что позволяет гораздо лучше измерять определенные параметры». Научное сообщество исследует эту концепцию, которая может иметь серьезные последствия для будущего GW-астрономии. В дополнение к расширению диапазона событий GW, которые могут быть обнаружены, обсерватории GW следующего поколения могут отслеживать больше событий до их источников. Кроме того, астрономы ожидают, что GW позволят им исследовать законы 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 программы "Вояж-2050". Эти концепции включают в себя космический интерферометр, который будет исследовать небо на наличие GW в частотном диапазоне от миллигерца до микрогерца (от мГц до мкГц). Другой предлагает, как можно использовать интерферометры, чувствительные к GW в мегагерцовом диапазоне, чтобы больше узнать о природе черных дыр. Другие показывают, как наблюдения в диапазоне децигерц (дГц) могут обеспечить «недостающее звено» для астрономии GW, в то время как астрономия с большими углами может помочь проследить GW до их источника. Исследования физики ранней Вселенной, включая изучение первичных гравитационных волн, также являются основной темой программы ЕКА «Вояж-2050». Изучая GW, созданные в инфляционную эпоху, ученые, наконец, смогут исследовать физику и микрофизику этого раннего космического периода.
