LISA: Що насправді побачить обсерваторія гравітаційних хвиль

LISA, обсерваторія гравітаційних хвиль вартістю 1,6 мільярда доларів, запуск якої запланований на наступне десятиліття, зробить революцію в тому, як ми бачимо гравітаційні хвилі – нескінченно малі збурення простору-часу, вперше передбачені понад століття тому і виявлені лише вісім років тому.

LISA: простота і точність

LISA розшифровується як “Космічна антена лазерного інтерферометра” і складається з трьох космічних апаратів, що обертаються навколо Сонця у фіксованому трикутному формуванні. LISA – це інтерферометр, а це означає, що місія винюхуватиме гравітаційні хвилі за допомогою лазерної інтерферометрії – вимірювання відстані між масами за допомогою неймовірно точних лазерних променів довжиною близько 5 мільйонів миль (8 мільйонів кілометрів), причому кожна сторона трикутника LISA має довжину близько 1,6 мільйона миль (2,5 мільйона км).

Лазери мають вирішальне значення, але це лише частина конструкції LISA – вони є лише вимірювальними паличками для відстаней між трьома металевими кубами, по одному в кожному з трьох космічних апаратів LISA. Кубики виготовлені з золото-платинового сплаву, щоб звести до мінімуму магнетизм, який може на них діяти. Знову ж таки, мета LISA полягає в тому, щоб подорожувати в космосі, не торкаючись нічого, окрім простору-часу і гравітаційних хвиль, які на них впливають.

“Основна ідея проекту полягає в тому, що ми запускаємо ці кубики, – сказав Саавік Форд, астрофізик з Американського музею природознавства. “Ми просто хочемо, щоб вони сиділи там і відчували радість простору-часу без жодних інших сил, що діють на них, і саме ця остання частина є найскладнішою”.

“Потрібно маневрувати кораблем, коли маси [золото-платинові кубики] падають, щоб переконатися, що космічний корабель сам не дрейфує в маси і не вдарить їх, що було б жахливо”, – додав Форд.

Щодо розуміння складності LISA, тодішній аспірант Форда Джейк Постігліоне проводить аналогію: Технічний виклик подібний до того, якби ви спрямували лазер з Нью-Йорка до Лос-Анджелеса (якби Земля була пласкою) і спробували влучити ним в очне яблуко плодової мушки. І лазер, і фруктова муха рухаються, коли розгортається ця операція.

Масштаб інженерного виклику “відверто вражає уяву”, – сказав Форд, – “і я дуже радий, що це не мій відділ”.

НАСА надає кілька елементів інструментарію LISA, зокрема лазерну систему, телескопічні системи і пристрої, які керуватимуть рівнями електричного заряду на тестових кубах.

Частота орбітальних об’єктів визначається тим, як часто вони проходять повну орбіту навколо один одного. Наші детектори гравітаційних хвиль добре виявляють певні частоти з різних причин, але всі існуючі детектори мають одне суттєве обмеження: Вони застрягли на Землі.

Космічний оракул для давніх чорних дір

Детектори гравітаційних хвиль різняться за типами орбітальних частот, які вони виявляють. Наземні детектори – а саме колаборація LIGO-Virgo-KAGRA – чудово виявляють високі частоти, які відповідають меншим масам, таким як чорні діри розміром із зорі. Але коли ці маси стають трохи більшими – скажімо, у понад двісті разів більшими за масу нашого Сонця – їхні орбітальні частоти стають схожими на шум, який виробляє наша планета.

“Існує частота, на якій Земля сама по собі настільки галаслива, що це вже ваша проблема, – каже Форд. “Ви буквально не можете цього зробити. Так чи інакше, ви повинні полетіти в космос”.

У космосі масиви синхронізації пульсарів є корисним вимірювальним інструментом для найбільших чорних дір, хоча Земля все ще є частиною рівняння. У цій системі обсерваторії на Землі відстежують надійні спалахи світла від об’єктів, що швидко обертаються (пульсарів); коли час, коли світло доходить до Землі, трохи затримується або прискорюється, це свідчить про те, що простір-час був розтягнутий або стиснутий гравітаційними хвилями. У 2023 році група дослідників, які співпрацювали з пульсарними хронометрами, знайшла переконливі докази наявності гравітаційного хвильового фону в даних пульсарів.

Чорні діри, які спостерігаються за допомогою пульсарної хронометрії, зазвичай у мільярди разів перевищують масу Сонця і знаходяться в центрі галактик-монстрів – вони навіть перевершують карликовий Стрілець A*, чорну діру в центрі Чумацького Шляху, маса якої становить приблизно чотири мільйони мас Сонця. Якби чорні діри були кашею, то LISA була б Золотоволоскою. Місія винюхуватиме низькочастотні гравітаційні хвилі, які майже неможливо відрізнити від шуму наземними детекторами. Тим не менш, космічна обсерваторія може виявити масивні злиття чорних дір, коли чорні діри розміром із зорю перетворюються на надмасивні, а також інтимні подвійні злиття компактних об’єктів та інші астрофізичні спалахи і фонові явища.

“Масиви синхронізації пульсарів дають нам інформацію про стохастичний фон для масивних подвійних чорних дір на дуже низьких частотах, і LIGO в основному встановив межі для швидкостей різних сімейств злиття компактних об’єктів зоряної маси”, – сказав Емануеле Берті, фізик-теоретик з Університету Джона Гопкінса. “Мислення змінилося по-різному, але я б сказав, що найцікавіша наука, якою ми можемо займатися за допомогою LISA, зосереджена навколо масивних бінарних злиттів чорних дір, тому що це те, що ми просто не можемо дослідити на землі”.

Ухиляння від шуму в космосі

Хоча LISA матиме набагато менше завад у космосі, ніж на Землі – в ідеалі нуль – обсерваторії доведеться просіювати космічний шум. У Всесвіті є об’єкти, які роблять чорні діри набагато складнішими для спостереження, оскільки вони також випромінюють гравітаційні хвилі. Найбільш дратівливою формою цих компактних перешкод є подвійні білі карлики: компактні оболонки колишніх зірок, які обертаються одна навколо одної і врешті-решт зливаються, перемішуючи простір-час, наче віночки в міксері. Винятком з цього шуму будуть випадки, коли бінарні настільки яскраво виражені, що їх можна виокремити і розпізнати, чим вони є. Космічний двосічний меч, ці “перевірочні двійкові файли” допоможуть астрономам підтвердити можливості LISA, коли місія буде на місці.

LISA буде одночасно виявляти шум від мільйонів джерел, багато з яких знаходяться в межах нашої галактики, повідомляє NASA. Вчені відокремлюватимуть зерна від плевел за допомогою величезного обсягу обробки даних і зіставлятимуть їх з існуючими теоріями та моделями відомих об’єктів Всесвіту. До запуску LISA залишилося більше десяти років, тому вчені працюють над імітацією роботи з даними, щоб підготуватися до реальних випробувань.

Відстеження космічної еволюції

“Насправді в астрофізиці є лише два питання: “Як ми сюди потрапили?” і “Чи ми самотні?” сказав Форд. “Кожна річ, яку ми робимо, спрямована на те, щоб відповісти на якийсь маленький шматочок одного або іншого, а іноді й обох цих питань”.

“Ми граємо в гру з чорними дірами не для того, щоб відповісти на питання “чи ми самотні?”, – додав Форд. Але питання “як ми сюди потрапили?” є досить важливим для розуміння цих чорних дір”.

Розуміння народження, життя і смерті зірок – і ролі цих печей ядерного синтезу у виробництві елементів – нерозривно пов’язане з наявністю чорних дір. Більше того, типи зірок, що утворюються галактиками, і кількість, в якій вони утворюються, можуть бути пов’язані з масою і поведінкою чорних дір в ядрах цих галактик. Чорні діри можуть бути безладними пожирачами – часто відригуючи зоряний матеріал і викидаючи його в космос, – що робить їх активними учасниками еволюції всесвіту навколо них.

“Є кілька робіт про так звані Маленькі Червоні Точки, які вказують на те, що існують слабкі AGN [активні галактичні ядра – ядра галактик, що світяться, які живляться від надмасивних чорних дір], які, ймовірно, походять від акреції масивних чорних дір”, – сказав Берті. “Всі ці докази ще раз вказують на те, що масивні чорні діри, мабуть, існували досить рано в історії Всесвіту. Це завжди було загадкою, але зараз вона стає ще більшою загадкою”.

Спостереження космічного телескопа “Вебб” за Маленькими Червоними Крапками показують плями світла такими, якими вони були, коли всесвіту було від 600 мільйонів років до 1,5 мільярда років. Хоча нещодавні дослідження вказують на те, що ці точки є ознаками зростання раніше прихованих чорних дір у ранньому Всесвіті – і космологічні моделі не “зламані”, як припускають заголовки, – спостереження LISA допоможуть виявити точну природу загадкових джерел світла.

LISA спостерігатиме за розбіганням чорних дір і краще охарактеризує масив компактних об’єктів у нашому Всесвіті. Ця інформація також може бути застосована до існуючих космологічних моделей і домінуючих теорій, таких як загальна теорія відносності Ейнштейна. Дані “наземної правди” (так би мовити, ми говоримо про космос) стануть переконливим стрес-тестом для тих уявлень про всесвіт, одне з яких, як відомо, було підтверджено, коли LIGO вперше виявив гравітаційні хвилі у 2015 році. У чорнильно-чорній далечині простору-часу є багато відомих невідомих, але вчені LISA сповнені рішучості привідкрити завісу – хоча б трохи – над деякими з найфундаментальніших загадок Всесвіту.