Кіріспе

Лазерлік интерферометрлік ғарыш антеннасы (LISA) – астрономиялық көздерден келетін гравитациялық толқындарды – кеңістік-уақыт мазмұнындағы ұсақ толқындарды – анықтау және дәл өлшеу үшін жоспарланған ғарыш зонды. LISA – ғарышқа орналасқан алғашқы гравитациялық толқын обсерваториясы. Оның мақсаты лазерлік интерферометрияны пайдаланып гравитациялық толқындарды тікелей өлшеу. LISA тұжырымдамасында 2,5 миллион километрлік қабырғалары бар теңқабырша үшбұрыш түрінде орналасқан үш ғарыш кемесі бар, олар Жерге ұқсас гелиоцентрлік орбитада ұшып жүреді. Спутниктер арасындағы қашықтық мұқият бақыланады, гравитациялық толқын өте қалса, оны анықтауға болады. Жоба, қаржыландыру шектеулеріне байланысты, CERN-нің мойындалған тәжірибесі (RE8) болып табылады. Бастапқыда «Жаңа гравитациялық толқын обсерваториясы» (NGO) деп аталған кішірейтілген жоба, ЕКА-ның ұзақ мерзімді жоспарларындағы үш ірі жобаның бірі ретінде ұсынылды. 2013 жылы ЕКА «Гравитациялық Әлем» тақырыбын 2030 жылдардағы үш ірі жобаның бірі ретінде таңдады, осы арқылы ғарышқа негізделген гравитациялық толқын обсерваториясын іске қосуға міндеттенді. 2017 жылдың қаңтарында LISA кандидат миссия ретінде ұсынылды. 2017 жылдың 20 маусымында ұсынылған миссия 2030 жылдарға арналған мақсатқа қол жеткізді және ЕКА-ның негізгі ғылыми миссияларының бірі ретінде бекітілді. 2024 жылдың 25 қаңтарында LISA миссиясы ЕКА ресми түрде қабылдады. Бұл қабылдау миссия тұжырымдамасы мен технологиясының жетілгендігін көрсетеді, сондықтан ғарыш кемесі мен оның құралдарын құрастыруға кірісуге болады. LISA миссиясы гравитациялық толқындарды тікелей бақылауға арналған, олар – жарық жылдамдығымен қозғалатын кеңістік-уақыттың өзгеруі. Өтетін гравитациялық толқындар кеңістікті аздап қысып, созып алмастырады. Гравитациялық толқындар ғаламдағы жоғары энергетикалық құбылыстардың нәтижесінде туындайды және басқа сәулеленулерден айырмашылығы, аралық массаның кедергісіз өте алады. LISA-ны ұшыру ғалымдардың ғалам туралы түсінігіне жаңа көзқарас қосады және оларға әдеттегі жарықта көрінбейтін құбылыстарды зерттеуге мүмкіндік береді. Сигналдың болуы мүмкін көздері: галактикалардың ортасындағы массивті қара тесіктердің бірігуі, кішкентай ықшам денелердің айналасындағы массивті қара тесіктер (экстремалды массалық арақатынас спиральдары), ықшам жұлдыздардың жұптары және, мүмкін, космологиялық шығу тегі бар басқа көздер, мысалы, Ұлы жарылыстан кейін болған космологиялық фазалық өту және космостық жіптер мен домен шекаралары сияқты гипотетикалық астрофизикалық объектілер.

Миссияның сипаттамасы

LISA миссиясының басты мақсаты – ықшам екілік жүйелер мен аса зор қара тесіктердің қосылуынан туындаған гравитациялық толқындарды анықтау және өлшеу. LISA лазерлік интерферометрия арқылы оның қолдарының ұзындығындағы айырмашылықтарды өлшеу арқылы гравитациялық толқындарды байқайды. LISA ғарыш кемелерінің әрқайсысында екі телескоп, екі лазер және екі сынақ массасы (әрқайсысы 46 мм, шамамен 2 кг, алтынмен қапталған алтын/платинадан жасалған куб) орналасқан, олар басқа екі ғарыш кемесіне бағытталған екі оптикалық құралымда жиналған. Ай орбитасынан он есе үлкен бүкіл құрылым Күн орбитасына Жерден 20 градусқа қалып, Жерден 20 градусқа қалып қояды, ал үш ғарыш кемесінің орбиталық жазықтықтары эклиптикаға қатысты шамамен 0,33 градусқа еңкейген, нәтижесінде үшбұрышты ғарыш кемесінің құрылымының жазықтығы эклиптика жазықтығынан 60 градусқа еңкейеді. Сынақ массаларына әсер ететін жарық қысымы және күннің магниттік өрісі сияқты гравитациялық емес күштерді жою үшін әр ғарыш кемесі сүйреудің жоқтығын қамтамасыз ететін спутник ретінде жасалған. Сынақ массасы ішінде еркін қозғалады, тиісінше еркін түсу күйінде болады, ал оны қоршаған ғарыш кемесі бұл гравитациялық емес күштердің барлығын сіңіріп алады. Содан кейін, ғарыш кемесінің массаға қатысты орнын анықтау үшін сыйымдылық сенсоры қолданылады, және өте дәл қозғалтқыштар ғарыш кемесін массаның ортасында ұстап, одан кейін ілесе жүруі үшін реттейді.

Қол ұзындығы

Қарулар неғұрлым ұзын болса, детектор ұзақ мерзімді гравитациялық толқындарға сәйкес сезімтал болады, бірақ оның қару ұзындығынан қысқа толқын ұзындығына сезімталдығы төмендейді (2,500,000 км – бұл жарық секундтары немесе Гц [LIGO-ның 500 Гц шамасындағы ең жоғары сезімталдығымен салыстырыңыз]). Спутниктер еркін ұшып жүргендіктен, ұшыру алдында арақашықтық оңай реттеледі, бірақ жоғарғы шектеулер интерферометрдің әр шетіндегі қажетті телескоптардың мөлшерімен (олар ұшыру құралының пайдалы жүктеме бөлімінің мөлшерімен шектеледі) және шоқжұлдыз орбитасының тұрақтылығымен (ірі шоқжұлдыздар басқа планеталардың гравитациялық әсеріне сезімтал, бұл миссияның ұзақтығын шектейді) анықталады. Ұзындығына байланысты тағы бір фактор – кіріс және шығыс лазер сәулелері арасындағы «алға бағытталған бұрыш»; телескоп кіріс сәулесін серігі бірнеше секунд бұрын болған жерден қабылдауы керек, ал шығыс сәулесін серігі бірнеше секундтан кейін болатын жерге жіберуі керек. 2008 жылғы LISA ұсынысының бастапқы нұсқасында қарулардың ұзындығы 5 миллион шақырым (5 Гм) болған. 2013 жылы eLISA-ға көшкен кезде 1 миллион шақырымдық қарулар ұсынылды. 2017 жылы мақұлданған LISA ұсынысының қарулары 2,5 миллион шақырым (2,5 Гм) ұзын. Жердегі гравитациялық толқын обсерваторияларынан өзгеше, LISA өз қаруларын белгілі бір ұзындықта «құлыптап» ұстай алмайды. Оның орнына, спутниктер арасындағы қашықтық жыл сайынғы орбитада айтарлықтай өзгереді және детектор әр секунд сайын миллиондаған толқын ұзындығымен өзгеретін қашықтықты қадағалап, санап табуы керек. Содан кейін сигналдар жиілік доменінде ажыратылады: бір тәуліктен кем уақыт аралығындағы өзгерістер қызығушылық тудыратын сигналдар болып табылады, ал бір ай немесе одан ұзақ уақыт аралығындағы өзгерістер маңызсыз. Бұл айырмашылық LISA-ның жердегі детекторлар сияқты жоғары сапалы Fabry–Pérot резонанстық қол қуыстарын және сигналды қайта өңдеу жүйелерін пайдалана алмайтындығын білдіреді, бұл оның ұзындық өлшеуінің дәлдігін шектейді. Бірақ қарулардың ұзындығы шамамен миллион есе ұзын болғандықтан, анықтауға тиіс қозғалыстар да сәйкес үлкен болады.

LISA Pathfinder (Ауылдық-ауылдық)

2015 жылы LISA Pathfinder (LPF) деп аталатын ESA сынақ миссиясы сынақ массасын (шамамен) толық еркін құлау жағдайына орналастыру үшін қажетті технологияны сынау мақсатымен іске қосылды. LPF бір ғарыш кемесінен тұрады, онда LISA интерферометрінің бір қолдары шамамен қысқартылып, бір ғарыш кемесіне сыйымды болды. 2016 жылдың 22 қаңтарында ғарыш кемесі Л1 Лагранж нүктесіндегі гелиоцентрлік орбитаға жетіп, пайдалы жүктемені сынақтан өткізді. Ғылыми зерттеулер 2016 жылдың 8 наурызында басталды. LPF-тің мақсаты LISA үшін қажетті деңгейден 10 есе нашар шу деңгейін көрсету еді. Бірақ LPF осы мақсатты асыра орындап, LISA талаптарына жақын шу деңгейіне қол жеткізді.

Ғылыми мақсаттар

Гравитациялық толқын астрономиясы гравитациялық толқындарды тікелей өлшеу арқылы астрофизикалық жүйелерді зерттеу және Эйнштейннің гравитация теориясын тексеруге бағытталған. Гравитациялық толқындардың жанама дәлелі бірнеше екілік пульсарлардың, мысалы, Хюльс-Тейлор пульсарының орбиталық периодының қысқаруын бақылаудан алынған. 2016 жылдың ақпан айында Advanced LIGO жобасы екі қара тесіктің қосылуынан туған гравитациялық толқындарды тікелей анықтағанын хабарлады. Гравитациялық толқындарды бақылау үшін екі нәрсе қажет: екі қара тесіктің қосылуы сияқты күшті гравитациялық толқын көзі және өте жоғары сезімталдық. LISA сияқты құрал бір миллион шақырым қашықтықта 20 пикометрлік – гелий атомының диаметрінен де кішкентай – салыстырмалы ығысуларды өлшеуге қабілетті болуы керек, бұл шамамен 1 миллигерц төменгі жиілік диапазонында 1020-дан 1 бөлігінен жақсы сезімталдық береді. LISA сияқты детектор гравитациялық толқын спектрінің төмен жиілік диапазонына сезімтал, онда көптеген астрофизикалық қызығушылық тудыратын көздер бар. Мұндай детектор біздің галактикамыздағы (Сүт Жолы) екілік жұлдыздардан, басқа галактикалардағы екілік аса массивті қара тесіктерден, сондай-ақ аса массивті қара тесіктің айналысындағы жұлдыздық массасы бар ықшам объектілердің экстремалды массалық қатынасынан туындайтын сигналдар мен жарылыстарды бақылайды. Космологиялық фазалық өтулер, ғарыштық жіптер және космологиялық инфляция кезінде пайда болған алғашқы гравитациялық толқындар сияқты гипотетикалық сигналдар да бар.

Галактикалық тығыз қос жүйелер

LISA Құс жолындағы екі тығыз жұлдыздық нысаннан (ақ жұлдыздар, нейтрон жұлдыздары және қара тесіктер) тұратын жақын қосжұлдыздардан шығатын дерлік монохроматикалық гравитациялық толқындарды анықтай алады. Төмен жиіліктерде олардың саны соншалықты көп болуы күтілуде, олар LISA деректерін талдау үшін (алдыңғы) шу көзіне айналады. Жоғары жиіліктерде LISA шамамен 25 000 галактикалық тығыз қосжұлдызды анықтап, шеше алады деп күтілуде. Бұл популяцияның массасының, периодының және орналасуының таралуын зерттеу галактикадағы қос жүйелердің қалыптасуы мен эволюциясы туралы білім береді. Сонымен қатар, LISA электромагниттік бақылаулар арқылы қазіргі уақытта белгілі 10 қосжұлдызды шеше алады (және бір шаршы градус ішінде электромагниттік серіктері бар тағы 500-ге жуық қосжұлдызды таба алады). Бұл жүйелерді бірлесіп зерттеу осы жүйелердегі басқа ыдырау механизмдерін, мысалы, күшті гравитациялық әсер арқылы анықтауға мүмкіндік береді.

Қара тесік бірігуі

LISA 104 және 107 күн массасы аралығындағы массасы бар екі массивті қара тесіктің қосылуынан туындаған гравитациялық толқындарды, олардың алғашқы қалыптасуынан бастап z ≈ 10 шамасындағы қызыл жылжуда анықтай алады. Ең консервативті модельдер жыл сайын мұндай кемінде бірнеше оқиғаның орын алуын күтеді. Жақын жердегі (z < 3) қосылулар үшін, LISA компоненттердің айналуын анықтай алады, ол компоненттердің бұрынғы эволюциясы туралы ақпарат береді (мысалы, олар негізінен аккреция немесе қосылу арқылы өсті ме). Жұлдыздардың пайда болуының ең жоғары нүктесінде (z ≈ 2) LISA түнгі аспанда 100 шаршы градус ішінде қосылуларды нақты қосылудан кемінде 24 сағат бұрын анықтай алады, бұл электромагниттік телескоптарға қарсы сигналдарды іздеуге мүмкіндік береді, соның ішінде қосылудан кейін квазардың пайда болуын байқау мүмкіндігі де бар. LIGO бағалауынша, LISA LIGO детекциялық диапазонында бірнеше аптадан кейін қосылатын шамамен 100 жұпты анықтап, ажырата алады деп күтілуде. LISA қосылу уақытын алдын ала дәл болжап, аспандағы 1 шаршы градусқа дейін оқиғаның орнын анықтай алады. Бұл электромагниттік қарсы сигналдарды іздеу мүмкіндіктерін едәуір арттырады. Мұндай сигналдар, мысалы, гравитациялық толқындардың таралуының өзгеруі немесе "шашты" қара тесіктердің болуы арқылы көрініс табуы мүмкін.

Басқа гравитациялық толқын эксперименттері

Бұрын ғарыштағы гравитациялық толқындарды іздеу планеталық миссиялар арқылы қысқа мерзімде жүргізілді, олардың басты ғылыми мақсаттары басқаша болған (мысалы, Кассини-Хюйгенс). Олар Жер-ғарыш кемесі арасындағы қашықтықтағы өзгерістерді бақылау үшін микротолқынды Доплер әдісін пайдаланды. Ал LISA – бұл арнайы миссия, ол лазерлік интерферометрияны қолданып, әлдеқайда жоғары сезімталдыққа жетеді. LIGO, Virgo және GEO600 сияқты басқа гравитациялық толқын антенналары Жерде жұмыс істейді, бірақ олардың төмен жиіліктегі сезімталдығы ең ұзын практикалық қолдардың ұзындығымен, сейсмикалық шумен және жақын жердегі қозғалмалы массалардың бұзуымен шектеледі. Керісінше, NANOGrav LISA-ға қарағанда тым төмен жиілікті өлшейді. LISA, NANOGrav және жердегі детекторлар сияқты гравитациялық толқындарды өлшеу жүйелерінің әртүрлі түрлері бәсекелес емес, бірін-бірі толықтырады, дәл сияқты әртүрлі электромагниттік спектрдегі (мысалы, ультракөк және инфрақызыл) астрономиялық обсерваториялар сияқты.

Тарих

Ғарышта ұшуға арналған гравитациялық толқын детекторының алғашқы жобалау зерттеулері 1980 жылдары LAGOS (Ғарыштағы гравитациялық сәулелерді бақылауға арналған лазерлік антенна) деген атпен жүргізілді. LISA алғаш рет 1990 жылдардың басында ЕКА миссиясы ретінде ұсынылды. Біріншіде M3 циклының үміткері ретінде, кейін «Horizon 2000 plus» бағдарламасының «негізгі миссиясы» ретінде. Онжылдық өте барысында жоба үш ғарыш аппараттарынан тұратын, 5 миллион километрлік үш қанатты үшбұрышты конфигурацияға дейін жетілдірілді. 1997 жылы бұл миссия ЕКА мен НАСА арасындағы бірлескен миссия ретінде ұсынылды. 2000 жылдары бірлескен ЕКА/НАСА LISA миссиясы ЕКА-ның 2015–2025 жылдарға арналған Cosmic Vision бағдарламасындағы «L1» слотының үміткері ретінде танылды. Алайда, бюджетті қысқартуға байланысты, НАСА 2011 жылдың басында ЕКА-ның L класындағы миссияларға қатыспайтынын мәлімдеді. Бұл ретте, ЕКА бағдарламаны ілгерілетуді шешті және L1 үміткер миссияларына ЕКА бюджеті шегінде ұшуға болатын, төмендетілген құнға ие нұсқаларын ұсынуды тапсырды. LISA-ның төмендетілген нұсқасы, 1 миллион километрлік екі қанатымен NGO (New/Next Gravitational wave Observatory) деген атпен жобаланды. Ғылыми әлеуеті бойынша NGO ең жоғары бағаланғанмен, ЕКА өзінің L1 миссиясы ретінде Юпитердің мұзды айларын зерттеуге арналған (JUICE) миссиясын таңдады. Басты алаңдаушылықтардың бірі – LISA Pathfinder миссиясының техникалық кешігулері болды, бұл технологияның жоспарланған L1 ұшырылу күніне дайын болатынына күмән тудырды. 2013 жылдың қараша айында ЕКА өзінің L3 миссиясы үшін «Гравитациялық Әлемді» таңдағанын жариялады (ұшырылу 2034 жылы күтілуде). 2015 жылдың қыркүйегінде LIGO жердегі детекторы гравитациялық толқындарды табысты анықтағаннан кейін, НАСА миссияға кіші серіктес ретінде қайта қосылуға қызығушылық танытты. «Гравитациялық Әлем» тақырыбындағы L3 миссиясы үшін миссия ұсыныстарын қабылдауға байланысты ЕКА шақыруына жауап ретінде, үш 2,5 миллион километрлік қанаты бар, тағы да LISA деп аталған детекторға арналған миссия ұсынысы 2017 жылдың қаңтарында ұсынылды.