25 січня 2024 року Комітет з наукової програми Європейського космічного агентства (European Space Agency, ESA) схвалив місію «Космічна антена лазерного інтерферометра» (Laser Interferometer Space Antenna, LISA) — першу наукову спробу виявлення та вивчення гравітаційних хвиль за допомогою космічних зондів, розміщених в навколоземному просторі.

Цей важливий крок, офіційно названий «схвалення» («adoption»), означає, що концепція місії та технологія достатньо розвинені, щоб дати добро на створення інструментів і космічних апаратів. Ця робота розпочнеться в січні 2025 року після вибору європейського промислового підрядника.

LISA — це не один космічний зонд, а сузір’я з трьох. Вони слідуватимуть за Землею по її орбіті навколо Сонця, утворюючи надзвичайно точний рівносторонній трикутник у космосі. Довжина кожної сторони трикутника становитиме 2,5 мільйона кілометрів (ушестеро більше відстані Земля—Місяць). Космічні апарати обмінюватимуться лазерними променями на цій відстані. Запуск трьох зондів заплановано на 2035 рік за допомогою ракети-носія «Аріан-6» (Ariane 6).

Проєкт LISA під керівництвом ESA став можливим завдяки співпраці між ESA, космічними агентствами держав-членів, NASA та міжнародним консорціумом науковців (консорціум LISA).

LISA — вимірювання гравітаційних хвиль. 
Місія Європейського космічного агентства LISA буде реєструвати та вивчати брижі в тканині простору-часу. Ці хвилі, які ми називаємо гравітаційними хвилями, виникають під час найпотужніших подій у Всесвіті. Прикладом системи, що спричиняє появу гравітаційних хвиль, є пара чорних дір, які обертаються навколо одна одної та перебувають на шляху до зіткнення. Прискорений рух цих величезних мас розхитує тканину простору-часу і створює брижі.
Місія LISA складається з трьох космічних зондів, які діятимуть як єдине ціле. Вони утворять рівносторонній трикутник, слідуючи за Землею під час її обертання навколо Сонця, та будуть з’єднані лазерними променями. Усередині кожного космічного апарата містяться у вільному плаванні два золотих куба, які також називають тестовими масами. 
Коли гравітаційна хвиля проходить крізь простір, де перебувають космічні зонди, відстані між об'єктами скорочуються і збільшуються. Вимірюючи відстань, пройдену лазерними променями між тестовими масами в різних космічних зондах, LISA зможе виявити гравітаційні хвилі та визначити, звідки вони прийшли. 
На інфографіці послідовність трикутників показує вплив гравітаційних хвиль на відстань, яку проходять лазерні промені LISA. Ефект перебільшено, щоб продемонструвати можливі напрямки, в яких гравітаційна хвиля стискатиме та розширюватиме простір між тестовими масами.

На зображенні показано три космічні зонди місії LISA на орбіті, де видно Землю та Сонце. Збільшене коло сфокусоване на одному з космічних зондів і двох золотих кубах, які він містить. На задньому плані зображення двох чорних дір, що стикаються, створюючи брижі в просторі-часі. В іншому полі показана послідовність трикутників, щоб продемонструвати вплив гравітаційних хвиль на відстань, пройдену лазерними променями LISA. Фото з сайту www.esa.int.

Додавання «звуку» космічному фільму

Понад століття тому Айнштайн зробив революційне передбачення, що коли масивні об’єкти прискорюються, вони розгойдують тканину простору-часу, створюючи мізерні хвилі, відомі як гравітаційні хвилі. Завдяки сучасним технологічним розробкам ми тепер можемо виявляти ці найбільш невловимі сигнали.

«LISA — це спроба, яку ще ніколи не робили. Використовуючи лазерні промені на відстані в кілька кілометрів, наземні прилади можуть виявляти гравітаційні хвилі, що надходять від подій, пов’язаних із об’єктами розміром із зорю, наприклад, вибухи наднових або злиття надщільних зір і чорних дір зоряної маси. Щоб розширити межі гравітаційних досліджень, нам треба вийти в космос», — пояснила провідний науковець проєкту LISA Нора Лютцґендорф (Nora Lützgendorf).

«Завдяки величезній відстані, яку проходять лазерні сигнали на LISA, і чудовій стабільності її приладів ми будемо досліджувати гравітаційні хвилі нижчих частот, ніж це можливо на Землі, виявляючи події іншого масштабу, навіть ті, що виникли на початку Всесвіту.»

Спектр гравітаційних хвиль. Гравітаційні хвилі — це брижі в просторі-часі, які виникають через прискорення дуже масивних об’єктів, таких як чорні діри, що утворюють подвійні системи і з часом зливаються. Різні об’єкти в космосі спричиняють появу гравітаційних хвиль з різними періодами коливань, починаючи від мілісекунд до мільярдів років. Деякі з цих хвиль можна спостерігати лише з космосу. Це мета майбутньої місії Європейського космічного агентства LISA, яка стане першою космічною обсерваторією гравітаційних хвиль. LISA вивчатиме гравітаційні хвилі, які утворюються в результаті злиття чорних дір зоряної маси, надмасивних чорних дір і наднових від вибухів білих карликів. Вона також реєструватиме хвилі, які виникають, коли компактні об’єкти, як-от нейтронні зорі або маленькі чорні діри, потрапляють у надмасивну чорну діру. Фото з сайту www.esa.int.

LISA виявлятиме по всьому Всесвіту хвилі простору-часу, спричинені зіткненням величезних чорних дір у центрах галактик. Це дасть змогу вченим простежити походження цих об’єктів, визначити, як вони ростуть, щоб стати в мільйони разів масивнішими, ніж Сонце, і з’ясувати роль, яку вони відіграють в еволюції галактик.

Місія готова зафіксувати передбачуваний гравітаційний «дзвін» із перших моментів існування нашого всесвіту та забезпечити прямий погляд на перші секунди після Великого Вибуху. Крім того, оскільки гравітаційні хвилі несуть інформацію про відстань до об’єктів, які їх випромінюють, LISA допоможе дослідникам виміряти зміни у розширенні Всесвіту за допомогою методів, що відрізняються від методів, які використовує космічний телескоп Euclid («Евклід») та інші дослідження. Це дасть змогу підтвердити (чи спростувати) отримані раніше результати щодо розширення Всесвіту.

У нашій власній галактиці, LISA виявить багато подій злиття пар компактних об’єктів, таких як білі карлики чи нейтронні зорі, що дасть науковцям унікальне розуміння останніх етапів еволюції цих систем. Визначивши їхнє розташування та відстань, LISA розширить наше розуміння структури Молочного Шляху, засноване на результатах місії ESA Gaia («Ґайя»).

«Століттями ми вивчали космос, вловлюючи світло. Поєднання цього з виявленням гравітаційних хвиль привносить абсолютно новий вимір у наше сприйняття Всесвіту», — зауважив науковець проєкту LISA Олівер Дженнріч (Oliver Jennrich).

«Якщо уявити, що за допомогою астрофізичних місій ми досі спостерігали космос, як німе кіно, реєстрація брижів простору-часу обсерваторією LISA кардинально змінить ситуацію — це буде схоже на те, коли до кінофільмів додали звук».

Золоті кубики та лазерні промені

Для виявлення гравітаційних хвиль LISA використовуватиме пари твердих золото-платинових кубів — так звані тестові маси (трохи менші, ніж кубики Рубіка). Вони вільно плаватимуть в спеціальному корпусі в центрі кожного космічного апарата. Гравітаційні хвилі спричинять незначні зміни у відстанях між масами в різних космічних зондах, і місія відстежуватиме ці зміни за допомогою лазерної інтерферометрії.

Золоті кубики LISA. У 2015 р. космічний зонд LISA Pathfinder випробував важливу технологію для майбутньої місії LISA. Центральне місце в демонстрації технології належало двом кубикам з твердого золото-платинового сплаву. Кожен кубик з ребром 4,6 см і масою 1,96 кг — це тестова маса. Один із цих кубиків показано на зображенні. Кожен з трьох космічних апаратів місії LISA нестиме на облавку по дві з цих тестових мас. Вони вільно плаватимуть в «корпусі електродів» (electrode housing). Гравітаційні хвилі можна виявити, коли відстані між кубами в різних космічних зондах змінюються. LISA відстежуватиме ці зміни через обмін лазерними променями між сусідньою парою космічних апаратів.
Місія LISA Pathfinder довела, що тестові маси можна підтримувати в русі, де на них діє лише гравітація; тестові маси не торкаються корпусу космічного зонда, вони плавають у ньому. Кожен космічний апарат виконує важливу роботу — фіксувати, що ніщо, окрім самої геометрії простору-часу, не впливає на маси, які перебувають у вільному падінні. Ця техніка вимагає направлення лазерних променів від одного космічного зонда до іншого, а потім накладання їхнього сигналу для визначення змін у відстанях до мас аж до кількох мільярдних часток міліметра.
Космічний апарат має бути сконструйований таким чином, щоб ніщо, крім самої геометрії простору-часу, не впливало на рух мас, які знаходяться у вільному падінні. Фото з сайту www.esa.int.

Міцна спадщина та майбутня командна робота

Місія LISA йде по слідах космічного зонда LISA Pathfinder, який продемонстрував, що можна утримувати тестові маси у вільному падінні з разючою точністю. Така ж прецизійна силова установка, яку також використовували в місіях ESA Gaia та Euclid, гарантуватиме, що кожен космічний зонд збереже потрібне положення та орієнтацію з найвищою точністю.

Обрана як третя велика місія ESA Cosmic Vision 2015—2025, обсерваторія LISA приєднається до наукового флоту космічних спостерігачів ESA для вирішення двох важливих питань, що перебувають у центрі програми: які фундаментальні фізичні закони Всесвіту? Як виник Всесвіт і з чого він складається?

У цьому пошуку LISA працюватиме разом з іншою великою місією ESA, яка нині перебуває на етапі планування: NewAthena. Після запуску в 2037 році, NewAthena має стати найбільшою рентгенівською обсерваторією, яку коли-небудь будували земляни.

Примітки

Європейське космічне агентство керує місією LISA і забезпечить розробку космічних зондів, запуск, операції місії та обробку даних. Головні інструментальні елементи — тестові маси вільного падіння, захищені від зовнішніх сил, — нададуть Італія та Швейцарія; системи пікометричної точності для виявлення інтерферометричного сигналу — Німеччина, Велика Британія, Франція, Нідерланди, Бельгія, Польща та Чеська Республіка. Підсистему наукової діагностики (набір датчиків на космічному зонді) надасть Іспанія, ультрастабільні лазери, 30-сантиметрові телескопи для збору їхнього світла та джерела ультрафіолетового світла (для зняття розряду з тестових мас) — NASA.

За інф. з сайту www.esa.int