Лазерная интерферометрическая космическая антенна ( LISA ) — это запланированный космический зонд для обнаружения и точного измерения гравитационных волн [2] — крошечных волн в ткани пространства-времени — от астрономических источников. [3] LISA станет первой специализированной космической гравитационно-волновой обсерваторией . Она направлена на измерение гравитационных волн напрямую с помощью лазерной интерферометрии . Концепция LISA включает три космических аппарата, расположенных в равностороннем треугольнике со стороной 2,5 миллиона километров, летящих по гелиоцентрической орбите, подобной земной . Расстояние между спутниками точно контролируется для обнаружения проходящей гравитационной волны. [2]
Проект LISA начинался как совместная работа NASA и Европейского космического агентства (ESA). Однако в 2011 году NASA объявило, что не сможет продолжить свое партнерство LISA с Европейским космическим агентством [4] из-за ограничений финансирования. [5] Проект является признанным экспериментом CERN (RE8). [6] [7] Уменьшенный проект, изначально известный как Новая гравитационно-волновая обсерватория ( NGO ), был предложен в качестве одного из трех крупных проектов в долгосрочных планах ESA . [8] В 2013 году ESA выбрало «Гравитационную Вселенную» в качестве темы для одного из трех своих крупных проектов в 2030-х годах [9] [10] , в рамках которого оно обязалось запустить космическую гравитационно-волновую обсерваторию.
В январе 2017 года LISA была предложена в качестве кандидата на миссию. [11] 20 июня 2017 года предложенная миссия получила разрешение на выполнение в 2030-х годах и была одобрена в качестве одной из основных исследовательских миссий ЕКА. [12] [13]
25 января 2024 года миссия LISA была официально принята ЕКА. Это принятие подтверждает, что концепция и технологии миссии достаточно продвинуты, чтобы можно было начать строительство космического корабля и его инструментов. [14]
Миссия LISA предназначена для прямого наблюдения за гравитационными волнами , которые являются искажениями пространства-времени , движущимися со скоростью света . Проходящие гравитационные волны попеременно сжимают и растягивают само пространство на крошечную величину. Гравитационные волны вызываются энергетическими событиями во Вселенной и, в отличие от любого другого излучения , могут проходить беспрепятственно из-за промежуточной массы. Запуск LISA добавит новый смысл в восприятие Вселенной учеными и позволит им изучать явления, которые невидимы при обычном свете. [15] [16]
Потенциальными источниками сигналов являются сливающиеся массивные черные дыры в центре галактик , [17] массивные черные дыры, вращающиеся вокруг небольших компактных объектов , известных как спирали с экстремальным отношением масс , [18] двойные компактные звезды, [19] субзвездные объекты, вращающиеся вокруг таких двойных, [20] и, возможно, другие источники космологического происхождения, такие как космологический фазовый переход вскоре после Большого взрыва , [21] и предполагаемые астрофизические объекты, такие как космические струны и границы доменов . [22]
Основная цель миссии LISA — обнаружение и измерение гравитационных волн, создаваемых компактными двойными системами и слияниями сверхмассивных черных дыр. LISA будет наблюдать гравитационные волны, измеряя дифференциальные изменения длины своих плеч, которые будут определяться лазерной интерферометрией. [23] Каждый из трех космических аппаратов LISA содержит два телескопа, два лазера и две тестовые массы (каждый представляет собой покрытый золотом куб из золота/платины размером 46 мм и весом около 2 кг), размещенные в двух оптических сборках, направленных на два других космических аппарата. [11] Они образуют интерферометры типа Майкельсона , каждый из которых центрирован на одном из космических аппаратов, а тестовые массы определяют концы плеч. [24] Вся конструкция, которая в десять раз больше орбиты Луны, будет размещена на солнечной орбите на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, но отставая от Земли на 20 градусов, и с орбитальными плоскостями трех космических аппаратов, наклоненными относительно эклиптики примерно на 0,33 градуса, что приводит к тому, что плоскость треугольной формации космических аппаратов наклонена на 60 градусов от плоскости эклиптики. [23] Среднее линейное расстояние между формацией и Землей составит 50 миллионов километров. [25]
Чтобы исключить негравитационные силы, такие как давление света и солнечный ветер на испытательные массы, каждый космический корабль сконструирован как спутник с нулевым сопротивлением . Испытательная масса свободно плавает внутри, фактически в свободном падении, в то время как космический корабль вокруг нее поглощает все эти локальные негравитационные силы. Затем, используя емкостное зондирование для определения положения космического корабля относительно массы, очень точные двигатели регулируют космический корабль так, чтобы он следовал, сохраняя себя центрированным вокруг массы. [26]
Чем длиннее плечи, тем более чувствителен детектор к длиннопериодным гравитационным волнам, но его чувствительность к длинам волн короче плеч снижается (2 500 000 км составляет 8,3 световых секунды или 0,12 Гц [сравните с пиковой чувствительностью LIGO около 500 Гц]). Поскольку спутники находятся в свободном полете, расстояние между ними легко регулируется перед запуском, причем верхние пределы накладываются размерами телескопов, требуемых на каждом конце интерферометра (которые ограничены размером обтекателя полезной нагрузки ракеты-носителя ) и стабильностью орбиты созвездия (более крупные созвездия более чувствительны к гравитационному воздействию других планет, что ограничивает срок службы миссии). Другим зависящим от длины фактором, который необходимо компенсировать, является «угол опережения точки» между входящим и исходящим лазерными лучами; Телескоп должен получить входящий луч оттуда, где его партнер находился несколько секунд назад, но направить свой исходящий луч туда, где его партнер будет находиться через несколько секунд .
Первоначальное предложение LISA 2008 года имело плечи длиной 5 миллионов километров (5 Гм). [27] При сокращении до eLISA в 2013 году были предложены плечи длиной 1 миллион километров. [28] Одобренное предложение LISA 2017 года имело плечи длиной 2,5 миллиона километров (2,5 Гм). [29] [11]
Как и большинство современных гравитационно-волновых обсерваторий , LISA основана на лазерной интерферометрии . Ее три спутника образуют гигантский интерферометр Майкельсона , в котором два спутника-«транспондера» играют роль отражателей, а один спутник-«главный» — роль источника и наблюдателя. Когда гравитационная волна проходит через интерферометр, длины двух плеч LISA изменяются из-за пространственно-временных искажений, вызванных волной. Фактически, LISA измеряет относительный фазовый сдвиг между одним локальным лазером и одним удаленным лазером с помощью световой интерференции . Сравнение наблюдаемой частоты лазерного луча (в обратном луче) и локальной частоты лазерного луча (отправленный луч) кодирует параметры волны. Принцип лазерно-интерферометрических межспутниковых измерений дальности был успешно реализован в лазерном интерферометре дальности на борту GRACE Follow-On . [30]
В отличие от наземных гравитационно-волновых обсерваторий, LISA не может удерживать свои плечи «заблокированными» в положении на фиксированной длине. Вместо этого расстояния между спутниками значительно меняются на протяжении годовой орбиты, и детектор должен отслеживать постоянно меняющееся расстояние, подсчитывая миллионы длин волн, на которые расстояние изменяется каждую секунду. Затем сигналы разделяются в частотной области : изменения с периодами менее суток являются сигналами, представляющими интерес, в то время как изменения с периодами в месяц или более не имеют значения.
Это различие означает, что LISA не может использовать высокоточные резонансные резонаторы Фабри-Перо и системы рециркуляции сигналов, такие как наземные детекторы, что ограничивает точность измерения длины. Но с плечами, которые почти в миллион раз длиннее, движения, которые нужно обнаружить, соответственно больше.
Тестовая миссия ESA под названием LISA Pathfinder (LPF) была запущена в 2015 году для проверки технологии, необходимой для помещения испытательной массы в (почти) идеальные условия свободного падения. [31] LPF состоит из одного космического корабля с одним из плеч интерферометра LISA, укороченным примерно до 38 см (15 дюймов), так что он помещается внутри одного космического корабля. Космический корабль достиг своего рабочего местоположения на гелиоцентрической орбите в точке Лагранжа L1 22 января 2016 года, где он прошел ввод в эксплуатацию полезной нагрузки. [32] Научные исследования начались 8 марта 2016 года . [33] Целью LPF было продемонстрировать уровень шума в 10 раз хуже, чем необходимо для LISA. Однако LPF значительно превысил эту цель, приблизившись к требуемым уровням шума LISA. [34]
Гравитационно-волновая астрономия стремится использовать прямые измерения гравитационных волн для изучения астрофизических систем и проверки теории гравитации Эйнштейна . Косвенные доказательства существования гравитационных волн были получены из наблюдений за уменьшением орбитальных периодов нескольких двойных пульсаров , таких как пульсар Халса-Тейлора . [36] В феврале 2016 года проект Advanced LIGO объявил, что он напрямую обнаружил гравитационные волны от слияния черных дыр. [37] [38] [39]
Для наблюдения гравитационных волн необходимы две вещи: сильный источник гравитационных волн, например, слияние двух черных дыр , и чрезвычайно высокая чувствительность обнаружения. Инструмент типа LISA должен быть способен измерять относительные смещения с разрешением 20 пикометров — меньше диаметра атома гелия — на расстоянии в миллион километров, обеспечивая чувствительность к деформации лучше, чем 1 часть на 1020 в низкочастотном диапазоне около миллигерца.
Детектор, подобный LISA, чувствителен к низкочастотному диапазону спектра гравитационных волн, который содержит много интересных с астрофизической точки зрения источников. [40] Такой детектор мог бы наблюдать сигналы от двойных звезд в пределах нашей галактики ( Млечный Путь ); [41] [42] сигналы от двойных сверхмассивных черных дыр в других галактиках ; [43] и спирали и всплески с экстремальным отношением масс, производимые компактным объектом звездной массы, вращающимся вокруг сверхмассивной черной дыры. [44] [45] Существуют также более спекулятивные сигналы, такие как сигналы от космологических фазовых переходов , космических струн и первичных гравитационных волн, генерируемых во время космологической инфляции . [46]
LISA сможет обнаружить почти монохроматические гравитационные волны, исходящие от тесных двойных систем, состоящих из двух компактных звездных объектов ( белых карликов , нейтронных звезд и черных дыр ) в Млечном Пути . На низких частотах их, как ожидается, будет так много, что они образуют источник (переднего плана) шума для анализа данных LISA. На более высоких частотах LISA, как ожидается, обнаружит и разрешит около 25 000 галактических компактных двойных систем. Изучение распределения масс, периодов и местоположений этой популяции расскажет нам о формировании и эволюции двойных систем в галактике. Кроме того, LISA сможет разрешить 10 двойных систем, известных в настоящее время из электромагнитных наблюдений (и найти еще ≈500 с электромагнитными аналогами в пределах одного квадратного градуса). Совместное изучение этих систем позволит сделать вывод о других механизмах рассеивания в этих системах, например, посредством приливных взаимодействий. [11] Одной из известных в настоящее время двойных систем, которую LISA сможет разрешить, является двойная белая карликовая система ZTF J1539+5027 с периодом 6,91 минуты, вторая по кратчайшему периоду двойная пара белых карликов, обнаруженная на сегодняшний день. [47] [48]
LISA также сможет обнаружить присутствие крупных планет и коричневых карликов , вращающихся вокруг двойных белых карликов. Количество таких обнаружений в Млечном Пути оценивается в диапазоне от 17 в пессимистическом сценарии до более чем 2000 в оптимистическом сценарии, и даже внегалактические обнаружения в Магеллановых Облаках могут быть возможны, что намного превышает текущие возможности других методов обнаружения экзопланет . [20] [49] [50]
LISA сможет обнаружить гравитационные волны от слияния пары массивных черных дыр с чирп-массой от 10 4 до 10 7 солнечных масс вплоть до их самого раннего образования при красном смещении около z ≈ 10. Самые консервативные модели населения ожидают, что по крайней мере несколько таких событий будут происходить каждый год. Для слияний ближе ( z < 3) он сможет определить спины компонентов, которые несут информацию о прошлой эволюции компонентов (например, выросли ли они в основном за счет аккреции или слияний). Для слияний около пика звездообразования ( z ≈ 2) LISA сможет обнаружить слияния в пределах 100 квадратных градусов на ночном небе по крайней мере за 24 часа до фактического слияния, что позволит электромагнитным телескопам искать аналоги, с потенциалом наблюдения за образованием квазара после слияния. [11]
Спиральные объекты с экстремальным отношением масс (EMRI) состоят из компактного звездного объекта (<60 солнечных масс) на медленно затухающей орбите вокруг массивной черной дыры массой около 10 5 солнечных масс. Для идеального случая прямой орбиты вокруг (почти) максимально вращающейся черной дыры LISA сможет обнаружить эти события до z = 4. EMRI интересны тем, что они медленно развиваются, проводя около 10 5 орбит и от нескольких месяцев до нескольких лет в полосе чувствительности LISA перед слиянием. Это позволяет проводить очень точные (с погрешностью до 1 из 10 4 ) измерения свойств системы, включая массу и спин центрального объекта, а также массу и элементы орбиты ( эксцентриситет и наклон ) меньшего объекта. Ожидается, что EMRI будут регулярно происходить в центрах большинства галактик и в плотных звездных скоплениях. Консервативные оценки населения предсказывают по крайней мере одно обнаруживаемое событие в год для LISA. [11]
LISA также сможет обнаружить гравитационные волны, исходящие от слияний двойных черных дыр, где более легкая черная дыра находится в диапазоне промежуточных черных дыр (между 10 2 и 10 4 солнечных масс). В случае, если оба компонента являются промежуточными черными дырами между 600 и 10 4 солнечных масс, LISA сможет обнаружить события вплоть до красных смещений около 1. В случае черной дыры промежуточной массы, сворачивающейся в массивную черную дыру (между 10 4 и 10 6 солнечных масс), события будут обнаруживаться по крайней мере до z = 3. Поскольку мало что известно о популяции черных дыр промежуточной массы, нет хорошей оценки частоты событий для этих событий. [11]
После объявления о первом обнаружении гравитационной волны , GW150914, стало ясно, что похожее событие будет обнаружено LISA задолго до слияния. [51] На основе оценочных частот событий LIGO ожидается, что LISA обнаружит и разрешит около 100 двойных, которые сольются через несколько недель или месяцев в полосе обнаружения LIGO. LISA сможет точно предсказать время слияния заранее и определить место события с 1 квадратным градусом на небе. Это значительно расширит возможности поиска электромагнитных событий-аналогов. [11]
Гравитационные волновые сигналы от черных дыр могут дать намеки на более фундаментальную теорию гравитации. [11] LISA сможет проверить возможные модификации общей теории относительности Эйнштейна, мотивированные темной энергией или темной материей. [52] Они могут проявиться, например, через модификации распространения гравитационных волн или через возможность существования волосатых черных дыр . [52]
LISA сможет независимо измерять красное смещение и расстояние событий, происходящих относительно близко ( z < 0,1) посредством обнаружения слияний массивных черных дыр и EMRI. Следовательно, он может сделать независимое измерение параметра Хаббла H 0 , которое не зависит от использования космической лестницы расстояний . Точность такого определения ограничена размером выборки и, следовательно, продолжительностью миссии. При продолжительности миссии 4 года можно ожидать, что можно будет определить H 0 с абсолютной погрешностью 0,01 (км/с)/Мпк. На больших расстояниях события LISA могут (стохастически) быть связаны с электромагнитными аналогами, чтобы еще больше ограничить кривую расширения Вселенной. [11]
LISA будет чувствительна к стохастическому гравитационно-волновому фону, генерируемому в ранней Вселенной через различные каналы, включая инфляцию , космологические фазовые переходы первого порядка , связанные со спонтанным нарушением симметрии , и космические струны. [11]
LISA также будет искать неизвестные в настоящее время (и немоделированные) источники гравитационных волн. История астрофизики показала, что всякий раз, когда становится доступен новый диапазон частот/среда обнаружения, появляются новые неожиданные источники. Это может включать, например, изгибы и каспы в космических струнах. [11]
LISA будет чувствительна к постоянному смещению, вызванному гравитационными волнами в массах зондов, известному как эффект гравитационной памяти . [53]
Предыдущие поиски гравитационных волн в космосе проводились в течение коротких периодов планетарными миссиями, которые имели другие основные научные цели (например, Кассини-Гюйгенс ), используя микроволновое доплеровское слежение для мониторинга колебаний расстояния между Землей и космическим аппаратом. Напротив, LISA является специализированной миссией, которая будет использовать лазерную интерферометрию для достижения гораздо более высокой чувствительности. [ необходима цитата ] Другие антенны гравитационных волн , такие как LIGO , Virgo и GEO600 , уже работают на Земле, но их чувствительность на низких частотах ограничена наибольшими практическими длинами плеч, сейсмическим шумом и помехами от близлежащих движущихся масс. Напротив, NANOGrav измеряет частоты, слишком низкие для LISA. Различные типы систем измерения гравитационных волн — LISA, NANOGrav и наземные детекторы — являются скорее дополнительными, чем конкурирующими, во многом как астрономические обсерватории в разных электромагнитных диапазонах (например, ультрафиолетовом и инфракрасном ). [54]
Первые проектные исследования для детектора гравитационных волн, который должен был быть запущен в космос, были выполнены в 1980-х годах под названием LAGOS (Laser Antena for Gravitational Radiation Observation in Space). LISA впервые была предложена в качестве миссии ЕКА в начале 1990-х годов. Сначала как кандидат на цикл M3, а затем как «краеугольная миссия» для программы «Horizon 2000 plus». По мере развития десятилетия проект был усовершенствован до треугольной конфигурации из трех космических аппаратов с тремя 5-миллионно-километровыми рукавами. Эта миссия была представлена как совместная миссия ЕКА и НАСА в 1997 году. [55] [56]
В 2000-х годах совместная миссия ESA/NASA LISA была определена в качестве кандидата на слот «L1» в программе ESA Cosmic Vision 2015–2025. Однако из-за сокращения бюджета в начале 2011 года NASA объявило, что не будет участвовать ни в одной из миссий ESA класса L. Тем не менее, ESA решило продвинуть программу и поручило миссиям-кандидатам L1 представить версии с уменьшенной стоимостью, которые можно было бы запустить в рамках бюджета ESA. Уменьшенная версия LISA была разработана всего с двумя 1-миллионокилометровыми рукавами под названием NGO (New/Next Gravitational Wave Observatory). Несмотря на то, что NGO занимала первое место с точки зрения научного потенциала, ESA решила запустить Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) в качестве своей миссии L1. Одной из главных проблем было то, что миссия LISA Pathfinder столкнулась с техническими задержками, из-за чего возникло неясность относительно того, будет ли технология готова к запланированной дате запуска L1. [55] [56]
Вскоре после этого ЕКА объявило, что будет выбирать темы для своих слотов миссий L2 и L3 класса Large . Тема под названием «Гравитационная Вселенная» была сформулирована с сокращенной НПО, переименованной в eLISA в качестве миссии-соломенного человека. [57] В ноябре 2013 года ЕКА объявило, что выбрало «Гравитационную Вселенную» для своего слота миссии L3 (ожидаемый запуск в 2034 году). [58] После успешного обнаружения гравитационных волн наземными детекторами LIGO в сентябре 2015 года, НАСА выразило заинтересованность в повторном присоединении к миссии в качестве младшего партнера. В ответ на призыв ЕКА к предложениям миссий для тематической миссии L3 «Гравитационная Вселенная» [59] в январе 2017 года было подано предложение о миссии для детектора с тремя 2,5-миллионокилометровыми рукавами, снова названного LISA. [11]
По состоянию на январь 2024 года ожидается, что LISA будет запущена в 2035 году на ракете Ariane 6 [1] , на два года раньше, чем было объявлено ранее. [60]
Так же, как свет имеет спектр или множество длин волн, так и гравитационные волны. Различные длины волн указывают на различные типы космического происхождения и требуют различных типов детекторов.
