Зрение – главное из наших чувств, и в астрономии это особенно заметно. Все, что мы знаем о далеких экзопланетах, звездах и галактиках, получено с помощью телескопов, улавливающих фотоны электромагнитного излучения. Они не только «усилили» наши глаза, но и расширили их чувствительность, охватив диапазон от гамма-лучей до длинных радиоволн. Однако некоторые объекты скрыты от любого излучения плотными облаками, а другие слишком компактны и темны для того, чтобы их удалось увидеть. Самый лучший телескоп не разглядит сверхмассивную черную дыру в центре галактики или множество наполняющих ее двойных звезд, чересчур далеких и тусклых.Впрочем, есть способ наблюдать и такие объекты. Для этого понадобится использовать новые инструменты, не видя, но «слыша» происходящие далеко в космосе события. Поймать гравитационные волны, «складки» пространства-времени, которые разбегаются от некоторых массивных источников – тесных двойных систем, сливающихся черных дыр и т.п. Появление этой «гравитационной ряби» было предсказано еще Эйнштейном в 1916 году, но на то, чтобы ее зарегистрировать, потребовалось без малого столетие.
Миссия LISA: новое чувство астрофизики
В 2015 году наземные гравитационно-волновые обсерватории проекта LIGO заметили событие, получившее обозначение GW150914, – первую пойманную людьми гравитационную волну. Расчеты показали, что она пришла от пары черных дыр массой в несколько десятков Солнц каждая, которые пережили быстрое и катастрофическое слияние почти в 1,4 млрд световых лет от нас. Уже через пару лет грандиозная находка сделала главных авторов проекта LIGO нобелевскими лауреатами. Чуть позже европейский детектор Virgo присоединился к LIGO, и с тех пор три детектора наблюдают подобные события более-менее регулярно. Среди их источников попадаются сливающиеся дыры массами до 150 солнечных и нейтронные звезды. Есть и другие источники гравитационных волн, например быстро вращающиеся слегка деформированные нейтронные звезды, но их сигнал очень слаб и пока не поддается фиксации.
Чем космос лучше Земли
Примерно так происходит и с традиционными наземными телескопами. Их разрешающая способность ограничена искажениями, которые неизбежно вносит атмосфера. А электромагнитные волны некоторых диапазонов и вовсе не достигают поверхности планеты, поэтому рентгеновские и гамма-телескопы обязательно космические. Работе LIGO и Virgo мешает сама Земля: эти детекторы невероятно чувствительны к любому сотрясению и движению, полностью избавиться от которых, находясь на сейсмически активной и густонаселенной планете, невозможно.
Детекторы гравитационных волн используют лазерный луч, который расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом и отправляется по двум длинным, до нескольких километров, плечам – вакуумированным трубам, уложенным перпендикулярно друг другу. В конце пути свет отражается от зеркал и возвращается в вершину L-образной конструкции. Здесь лучи взаимодействуют, причем длина волны лазера заранее подобрана так, чтобы за счет интерференции они полностью гасили друг друга. Но если гравитационная волна хотя бы слегка сдвинет одно из зеркал, изменив длину плеча на величину, сравнимую с размером атомного ядра, – на детекторе появится свет.
Это позволяет LIGO и Virgo регистрировать гравитационные волны высокой частоты, от нескольких герц до килогерц, которые создают слияния нейтронных звезд и черные дыры умеренных масс, порядка десятков Солнц. Однако частота гравитационных волн обратно пропорциональна массе излучающих объектов. Поэтому волны от таких источников, как сверхмассивные черные дыры, которые набирают миллионы и миллиарды масс Солнца, имеют частоту менее 1 Гц и недоступны для наземных инструментов. Для этого нужно найти место поспокойней и инструмент покрупнее. В космосе лишних вибраций нет, а плечи гравитационной обсерватории можно сделать по-настоящему огромными, не ограничиваясь даже размерами планеты.
Кому нужны золотые кубики
Проекты космической гравитационной обсерватории обсуждались как минимум с 1980-х, и в 1997 году ESA и NASA официально договорились о совместной работе над такой миссией. Разумеется, доставить на орбиту пару многокилометровых труб и сложить из них жесткую L-образную конструкцию, как у LIGO или Virgo, невозможно. Поэтому концепция лазерной интерферометрической космической антенны LISA (Laser Interferometer Space Antenna), которой занялись ученые и инженеры, придумана более гибко. Вершинами системы должны выступить небольшие одинаковые грузы, которые будут вращаться вокруг Солнца по земной орбите, отставая от планеты примерно на 50 млн км.
Пока грузы остаются в свободном падении и на них не действуют никакие другие силы, расстояние между ними сохраняется неизменным. А мельчайшие изменения будут отслеживать спутники, несущие эти грузы – точнее, летящие с ними внутри. Сложнейшие электронные системы и маневровые двигатели должны поддерживать такое положение аппарата, при котором груз не касается стенок и свободно летит по собственной траектории, не испытывая посторонних воздействий. Задача спутников – защитить эти кубической формы грузы от внешнего влияния, например солнечного ветра и космического излучения. Каждый спутник должен нести по паре кубиков из золота и платины со стороной 46 мм и массой около 2 кг, полированные бока которых послужат зеркалами для плеч лазерного интерферометра.
Спутники, оснащенные лазерами и телескопами, направленными в сторону соседей, образуют колоссальный равносторонний треугольник интерферометра со стороной 2,5 млн км – почти вдесятеро больше расстояния от Земли до Луны. По первоначальным планам, принятым ESA и NASA, инструмент должен был стать вдвое больше, однако реальность умерила амбиции ученых. В 2011 году американское космическое агентство решило направить больше средств на собственный телескоп James Webb и объявило о выходе из ряда международных проектов, включая и LISA.
Как менялся космический треугольник
Однако в Евросоюзе решили не отказываться от миссии и реализовать ее самостоятельно, предложив разработчикам уменьшить масштаб и стоимость. Поначалу проект сократился резко – сразу до 1 млн км между аппаратами. Это позволило рассчитывать на использование менее мощных лазеров, сэкономить на массе и топливе для спутников. Однако успешная работа LIGO и открытие гравитационных волн прибавили весомости планам создания космического телескопа. Поэтому в начале 2017 года, когда LISA была окончательно одобрена ESA, проект остановился на 2,5 млн км.
«С научной точки зрения плечо в 5 млн км было бы намного лучше, мы смогли бы получить больше данных от сливающихся сверхмассивных черных дыр. Но для уменьшения имеются не только финансовые, но и технические соображения, – объяснил нам Станислав Бабак, работающий над миссией LISA с 2005 года. – На таком расстоянии удерживать лазерный луч на телескопе соседнего аппарата достаточно сложно. Это требует постоянного наведения, а значит, использования подвижного механизма, который обязательно будет создавать вибрации и дополнительный шум. На 2,5 млн км, скорее всего, удастся обойтись без него: телескопы достаточно большие и смогут улавливать луч без дополнительного наведения». Вдобавок можно сэкономить на топливе, уменьшив массу аппаратов.
«Рассматривались и другие варианты материала для грузов. Но золото с платиной оказалось наиболее подходящим благодаря своим электрическим свойствам и высокой химической инертности, – добавляет Станислав. – Вообще, технических сложностей в проекте невероятно много, начиная с необходимости вывести грузы, не повредив их и не деформировав. Для этого их закрепляют, зажимая между парой стержней, и уже на месте отпускают захват, разводя стержни строго одновременно, медленно и равномерно, чтобы кубик не начал вращаться и задевать стенки. Все это успешно проверено тестовой миссией LISA Pathfinder в 2016–2017 годах».
Как рассмотреть невидимое
«Сейчас мы находимся в фазе А, на которой определяются конфигурация миссии и все технические требования, – говорит Станислав Бабак. – В 2023 году должно начаться производство. Мы шли к этому очень долго, но, похоже, теперь LISA все-таки полетит». Доступных для LISA источников будет намного больше, чем у LIGO. Это не только сверхмассивные черные дыры, но и двойные системы белых карликов, которыми богата наша галактика. Практически неразличимые обычными телескопами, они излучают гравитационно-волновой сигнал, который сможет улавливать космический интерферометр, – в пределах галактики таких систем миллионы.
«Мы сможем увидеть даже белые карлики, которые находятся от нас по ту сторону центра Млечного Пути и закрыты плотными облаками газа и пыли, – продолжает Станислав. – Возможно, мы даже различим экзопланеты в таких системах. Но главное все же – решение проблемы происхождения сверхмассивных черных дыр». В самом деле, набрать миллиарды, а то и десятки миллиардов масс Солнца нелегко даже для них. Предполагается, что такие черные дыры должны не только постоянно поглощать газ, но и переживать слияния друг с другом. Наблюдая эти слияния с помощью LISA, можно будет проверить, какая из моделей их образования и эволюции лучше описывает происходящее.
Возможно, LISA позволит провести и новые точные измерения постоянной Хаббла, которая характеризует скорость расширения Вселенной. А если ученым удастся отфильтровать сигналы, приходящие от близких и ярких источников гравитационных волн, то инструмент сумеет рассмотреть даже раннюю Вселенную, какой она была до появления первого электромагнитного излучения – сегодняшнего реликтового фона. «Это очень сложная задача, и пока неясно, будет ли она решена, – признается Станислав. – Свою зарплату я бы на это не поставил».
LISA будет чувствительна к более длинным волнам, чем LIGO, расширяя диапазон, доступный новой «гравитационной астрономии». Опять же, нечто подобное происходило и с традиционными телескопами, которые постепенно, двигаясь от оптического диапазона, охватили едва ли не весь электромагнитный спектр, от радиоволн до гамма-лучей. «Можно заглянуть и дальше, – добавляет Станислав Бабак. – Уже отрабатываются методы, такие как пульсарный тайминг, которые теоретически позволят регистрировать гравитационные волны с частотой вплоть до наногерц». Так, невзирая на все сложности, астрономия мало-помалу осваивает новое «чувство» – теперь гравитационное.