Цивилизация
Ученые Европейского космического агентства сообщили о важном технологическом достижении, открывающем дорогу к практической реализации экспериментальной установки по поиску астрофизических гравитационных волн. В феврале этого года физики из международной коллаборации LIGO торжественно объявили
о первой в истории науки фиксации гравитационных волн, вызванных слиянием двойной системы черных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс.
Существование таких волн является одним из следствий теории относительности. Это — тонкий эффект, предсказанный теоретически, но до недавнего времени остававшийся неуловимым для ученых. Эйнштейн показал, что любое изменение массы в определенной точке пространства изменяет и его кривизну, и это изменение распространяется по Вселенной с ограниченной скоростью — скоростью света.
Поскольку в земных условиях до успеха команды LIGO поймать такие волны не удавалось, ученые давно мечтали поставить эксперимент в космосе, вдали от всевозможных источников возмущения. Провести такой эксперимент ученые хотят с тремя покоящимися космическими аппаратами, разнесенными на 5 млн км друг от друга.
Удалить их от Земли важно, чтобы исключить влияние различных шумов — например, перемещения воды в океане, которое можно принять за источник гравволн.
Собрав на орбите столь гигантский интерферометр, измеряющий мельчайшие колебания разнесенных на расстояние пробных масс, астрономы надеются не только впервые поймать гравитационные волны в космосе, но и измерить их поляризацию и указать источник.
Однако прежде, чем строить в космосе столь масштабный эксперимент, ученые решили проверить его жизнеспособность на малых масштабах. Для этого в декабре 2015 года в космос была отправлена тестовая миссия LISA Pathfinder. Ее задача была — продемонстрировать принципиальную возможность измерения расстояния между двумя свободно плавающими в космосе пробными массами с высочайшей точностью. Специальный аппарат был выведен от Земли на расстояние 1,5 млн км в так называемую точку Лагранжа системы Солнце — Земля.
По сути, ученым предстояло создать самое спокойное место, правда, не на Земле, а в космосе, где пробные массы-кубики плавали бы в абсолютной невесомости и не испытывали бы малейших ускорений. При этом лазер должен был помочь в измерении расстояний до кубиков с высочайшей точностью. Если бы эксперимент провалился и пробные массы испытывали какие-то возмущения, не стоило бы городить и масштабный дорогостоящий эксперимент.
«В эксперименте LISA Pathfinder мы создали самое тихое место, известное человечеству.
Результаты оказались впечатляющими, они сильно превысили все наши ожидания», — заявил Карстен Данцманн, директор Института гравитационной физики Общества Макса Планка. — Только исключив и уменьшив влияние всех источников возмущений, мы смогли наблюдать идеальное падение тел. И это показывает, что мы можем построить LISA, космическую обсерваторию по поиску гравитационных волн».
Успех в создании самого тихого с точки зрения возмущения места подтверждается цифрами: оказалось, что в ходе первых двух месяцев эксперимента
относительное ускорение пробных масс не превышало 10–16 ускорения свободного падения.
Результаты космической миссии опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В запущенном в космос зонде LISA Pathfinder присутствуют два одинаковых кубика из золота и платины, свободно плавающие в специальных камерах, защищающих их от воздействия солнечного ветра. А лазерный интерферометр позволяет с высокой точностью мерить положение, ориентацию и расстояние между кубиками.
«Измерения, сделанные этим первым космическим интерферометром, оказались куда точнее, чем мы ожидали. Мы смогли измерить расстояние между двумя свободно падающими пробными массами с точностью,
превосходящей размеры атома», — рассказал участник эксперимента Герхард Хайнцель.
По словам ученых, достигнутая точность в будущем эксперименте позволит «регистрировать флуктуации, вызванные слияниями сверхмассивных черных дыр».
По мнению профессора физического факультета МГУ Сергея Вятчанина, входящего в коллаборацию LIGO, успешная регистрация гравволн в земных условиях не умаляет ценности будущего космического эксперимента.
«Космический и наземный — это разные проекты. Космический ориентируется на инфранизкие частоты — по крайней мере в 10–3 Гц. И теория предсказывает, что амплитуда гравитационных волн на этих частотах должна быть больше. Такие низкие частоты на Земле невозможно зафиксировать из-за сейсмики. Именно поэтому чувствительность LIGO на этих частотах резко падает, упирается в так называемую сейсмическую стенку, — пояснил Вятчанин «Газете.Ru». — Это здорово, что об этом объявили, ведь были большие сомнения, что можно будет построить спутник, свободный от сноса, это была тяжелейшая задача».