Лазерная интерферометрическая антенна LISA: Миссия по обнаружению гравитационных волн.

Введение

Европейская космическая миссия по измерению гравитационных волн

Лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA) — это планируемый космический зонд для обнаружения и точного измерения гравитационных волн — мельчайших колебаний в структуре пространства-времени — от астрономических источников. LISA станет первой специализированной космической обсерваторией гравитационных волн. Она предназначена для прямого измерения гравитационных волн с использованием лазерной интерферометрии. Концепция LISA предусматривает созвездие из трех космических аппаратов, расположенных в виде равностороннего треугольника со сторонами длиной 2,5 миллиона километров, движущихся по гелиоцентрической орбите, подобной земной. Расстояние между спутниками точно контролируется для регистрации проходящей гравитационной волны. Проект является признанным экспериментом CERN (RE8), и его реализация была ограничена финансированием. Изначально был предложен уменьшенный вариант проекта, первоначально известный как Новая обсерватория гравитационных волн (NGO), в качестве одного из трех крупных проектов в долгосрочных планах ESA. В 2013 году ESA выбрала тему «Гравитационная Вселенная» для одного из трех крупных проектов 2030-х годов, взяв на себя обязательство запустить космическую обсерваторию гравитационных волн. В январе 2017 года LISA была предложена в качестве кандидатной миссии. 20 июня 2017 года предложенная миссия получила одобрение на 2030-е годы и была утверждена в качестве одной из основных исследовательских миссий ESA. 25 января 2024 года миссия LISA была официально принята ESA. Это решение признает, что концепция и технологии миссии достаточно развиты для начала строительства космического аппарата и его инструментов. Миссия LISA предназначена для непосредственного наблюдения гравитационных волн, которые являются искажениями пространства-времени, распространяющимися со скоростью света. Проходящие гравитационные волны попеременно сжимают и растягивают пространство на ничтожно малую величину. Гравитационные волны возникают в результате мощных событий во Вселенной и, в отличие от любого другого излучения, могут беспрепятственно проходить сквозь вещество. Запуск LISA позволит ученым получить новое представление о Вселенной и изучать явления, невидимые в обычном свете. Потенциальными источниками сигналов являются слияния массивных черных дыр в центрах галактик, массивные черные дыры, вокруг которых вращаются небольшие компактные объекты, известные как инспирали экстремального соотношения масс, двойные системы компактных звезд, а также, возможно, другие источники космологического происхождения, такие как космологический фазовый переход вскоре после Большого взрыва, и гипотетические астрофизические объекты, такие как космические струны и границы доменов.

The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is a planned space probe to detect and accurately measure gravitational waves—tiny ripples in the fabric of spacetime—from astronomical sources. LISA will be the first dedicated space based gravitational wave observatory. It aims to measure gravitational waves directly by using laser interferometry. The LISA concept has a constellation of three spacecraft arranged in an equilateral triangle with sides 2.5 million kilometres long, flying along an Earth like heliocentric orbit. The distance between the satellites is precisely monitored to detect a passing gravitational wave. due to funding limitations. The project is a recognized CERN experiment (RE8). A scaled down design initially known as the New Gravitational wave Observatory (NGO) was proposed as one of three large projects in ESA's long term plans. In 2013, ESA selected 'The Gravitational Universe' as the theme for one of its three large projects in the 2030s whereby it committed to launch a space based gravitational wave observatory. In January 2017, LISA was proposed as a candidate mission. On June 20, 2017, the suggested mission received its clearance goal for the 2030s, and was approved as one of the main research missions of ESA. On 25 January 2024, the LISA Mission was formally adopted by ESA. This adoption recognises that the mission concept and technology are advanced enough that building the spacecraft and its instruments can commence. The LISA mission is designed for direct observation of gravitational waves, which are distortions of spacetime travelling at the speed of light. Passing gravitational waves alternately squeeze and stretch space itself by a tiny amount. Gravitational waves are caused by energetic events in the universe and, unlike any other radiation, can pass unhindered by intervening mass. Launching LISA will add a new sense to scientists' perception of the universe and enable them to study phenomena that are invisible in normal light. Potential sources for signals are merging massive black holes at the centre of galaxies, massive black holes orbited by small compact objects, known as extreme mass ratio inspirals, binaries of compact stars, and possibly other sources of cosmological origin, such as a cosmological phase transition shortly after the Big Bang, and speculative astrophysical objects like cosmic strings and domain boundaries.

Описание миссии

Основная цель миссии LISA — обнаружение и измерение гравитационных волн, создаваемых компактными двойными системами и слияниями сверхмассивных чёрных дыр. LISA будет наблюдать гравитационные волны, измеряя дифференциальные изменения длины плеч интерферометра, определяемые с помощью лазерной интерферометрии. Каждый из трёх космических аппаратов LISA содержит два телескопа, два лазера и две тестовые массы (каждая — куб размером 46 мм, массой около 2 кг, покрытый золотом/платиной), расположенные в двух оптических узлах, направленных на другие два аппарата. Вся эта конфигурация, которая в десять раз больше орбиты Луны, будет размещена на гелиоцентрической орбите на том же расстоянии от Солнца, что и Земля, но отставая от Земли на 20 градусов, при этом орбитальные плоскости трёх аппаратов наклонены относительно эклиптики примерно на 0,33 градуса, что приводит к наклону плоскости треугольной формации аппаратов на 60 градусов относительно плоскости эклиптики. Для устранения негравитационных сил, таких как давление света и солнечный ветер, воздействующих на тестовые массы, каждый космический аппарат сконструирован как спутник с нулевым аэродинамическим сопротивлением. Тестовая масса свободно плавает внутри, фактически находясь в состоянии свободного падения, в то время как космический аппарат вокруг неё поглощает все эти локальные негравитационные силы. Затем, используя ёмкостные датчики для определения положения аппарата относительно массы, высокоточные двигатели корректируют положение аппарата, удерживая его в центре вокруг массы.

Длина руки

Чем длиннее плечи, тем выше чувствительность детектора к гравитационным волнам с большим периодом, но снижается его чувствительность к волнам с длиной, меньшей длины плеч (2 500 000 км – это световые секунды, или Гц [сравните с пиковой чувствительностью LIGO около 500 Гц]). Поскольку спутники свободно перемещаются, расстояние между ними легко регулируется перед запуском, при этом верхние границы определяются размерами телескопов, необходимых 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). Другой фактор, зависящий от длины и требующий компенсации, – это «угол опережения» между входящими и исходящими лазерными лучами; телескоп должен принимать входящий луч от того места, где его партнер находился несколько секунд назад, но отправлять исходящий луч туда, где его партнер будет через несколько секунд. Первоначальное предложение по проекту LISA 2008 года предусматривало плечи длиной 5 миллионов километров (5 Гм). При переходе к eLISA в 2013 году было предложено использовать плечи длиной 1 миллион километров. Утвержденное в 2017 году предложение по проекту LISA предусматривает плечи длиной 2,5 миллиона километров (2,5 Гм). В отличие от наземных обсерваторий гравитационных волн, LISA не может поддерживать фиксированную длину плеч в заблокированном положении. Вместо этого расстояния между спутниками значительно меняются в течение каждого годового оборота, 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 одного дня представляют интерес, а изменения с периодами в месяц и более не имеют значения. Эта разница означает, что LISA не может использовать высококачественные резонаторы Фабри-Перо и системы рециркуляции сигнала, как наземные детекторы, что ограничивает точность измерения длины. Однако, благодаря плечам, почти в миллион раз более длинным, обнаруживаемые смещения соответственно больше.

The longer the arms, the more sensitive the detector is to long period gravitational waves, but its sensitivity to wavelengths shorter than the arms is reduced (2,500,000 km is lightseconds, or Hz [compare to LIGO's peak sensitivity around 500 Hz]). As the satellites are free flying, the spacing is easily adjusted before launch, with upper bounds being imposed by the sizes of the telescopes required at each end of the interferometer (which are constrained by the size of the launch vehicle's payload fairing) and the stability of the constellation orbit (larger constellations are more sensitive to the gravitational effects of other planets, limiting the mission lifetime). Another length dependent factor which must be compensated for is the "point ahead angle" between the incoming and outgoing laser beams; the telescope must receive its incoming beam from where its partner was a few seconds ago, but send its outgoing beam to where its partner will be a few seconds from now. The original 2008 LISA proposal had arms 5 million kilometres (5 Gm) long. When downscoped to eLISA in 2013, arms of 1 million kilometres were proposed. The approved 2017 LISA proposal has arms 2.5 million kilometres (2.5 Gm) long. Unlike terrestrial gravitational wave observatories, LISA cannot keep its arms "locked" in position at a fixed length. Instead, the distances between satellites vary significantly over each year's orbit, and the detector must keep track of the constantly changing distance, counting the millions of wavelengths by which the distance changes each second. Then, the signals are separated in the frequency domain: changes with periods of less than a day are signals of interest, while changes with periods of a month or more are irrelevant. This difference means that LISA cannot use high finesse Fabry–Pérot resonant arm cavities and signal recycling systems like terrestrial detectors, limiting its length measurement accuracy. But with arms almost a million times longer, the motions to be detected are correspondingly larger.

ЛИЗА ПАТФИНДЕР

Испытательная миссия ESA под названием LISA Pathfinder (LPF) была запущена в 2015 году для тестирования технологии, необходимой для обеспечения (почти) идеальных условий свободного падения для тестовой массы. LPF состоит из одного космического аппарата, в котором одно из плеч интерферометра LISA укорочено примерно до , чтобы оно поместилось внутри одного космического аппарата. Космический аппарат достиг своей рабочей точки на гелиоцентрической орбите в точке Лагранжа L1 22 января 2016 года, где была проведена настройка и проверка полезной нагрузки. Научные исследования начались 8 марта 2016 года. Целью LPF было продемонстрировать уровень шума, в 10 раз превышающий требуемый для LISA. Однако LPF значительно превзошел эту цель, приблизившись к уровням шума, установленным для LISA.

Научные цели

Астрономия гравитационных волн 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 Хюльса — Тейлора. В феврале 2016 года проект Advanced LIGO объявил о прямом обнаружении гравитационных волн, возникших при слиянии черных дыр. Для наблюдения гравитационных волн необходимо два условия: наличие мощного источника гравитационных волн, например, слияния двух черных дыр, и чрезвычайно высокая чувствительность детектирования. Инструмент, подобный 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 низкочастотной области спектра гравитационных волн, содержащей множество астрофизически интересных источников. Такой детектор сможет регистрировать сигналы от двойных звезд в нашей Галактике (Млечном Пути), сигналы от двойных сверхмассивных черных дыр в других галактиках, а также сигналы экстремального соотношения масс при слиянии и всплески, создаваемые компактным объектом звездной массы, вращающимся вокруг сверхмассивной черной дыры. Существуют также более гипотетические сигналы, такие как сигналы от космологических фазовых переходов, космических струн и первичных гравитационных волн, генерируемых в эпоху космологической инфляции.

Галактические компактные двойные системы

LISA сможет обнаружить почти монохромные гравитационные волны, испускаемые тесными двойными системами, состоящими из двух компактных объектов (белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр) в Млечном Пути. На низких частотах ожидается, что их будет настолько много, что они станут источником (фонового) шума при анализе данных LISA. На более высоких частотах LISA, как ожидается, обнаружит и различит около 25 000 галактических компактных двойных систем. Изучение распределения масс, периодов и положений этой популяции позволит нам узнать больше о формировании и эволюции двойных систем в галактике. Более того, LISA сможет различить 10 двойных систем, известных по электромагнитным наблюдениям (и обнаружить около 500 дополнительных систем с электромагнитными соответствиями в пределах одного квадратного градуса). Совместное изучение этих систем позволит сделать выводы о других механизмах диссипации энергии в них, например, за счет приливных взаимодействий.

Массивные слияния черных дыр

LISA сможет обнаружить гравитационные волны от слияния пары массивных черных дыр с массой от 10⁴ до 10⁷ солнечных масс, начиная с момента их самого раннего формирования при красном смещении около z ≈ 10. Наиболее консервативные модели предсказывают, что как минимум несколько таких событий произойдут каждый год. Для слияний, происходящих ближе к нам (z < 3), LISA сможет определить спины компонентов, которые несут информацию о предыдущей эволюции компонентов (например, росли ли они преимущественно за счет аккреции или слияний). Для слияний, приходящихся на пик звездообразования (z ≈ 2), LISA сможет локализовать слияния в пределах 100 квадратных градусов на ночном небе как минимум за 24 часа до фактического слияния, что позволит электромагнитным телескопам искать соответствующие объекты и, возможно, наблюдать формирование квазара после слияния. Основываясь на оценках частоты событий, полученных LIGO, ожидается, что LISA обнаружит и разрешит около 100 двойных систем, которые сольются через несколько недель или месяцев в диапазоне, доступном для LIGO. LISA сможет точно предсказать время слияния заранее и определить местоположение события с точностью до 1 квадратного градуса на небе. Это значительно расширит возможности поиска электромагнитных событий-компаньонов. Эти события могут проявляться, например, через изменения в распространении гравитационных волн или через существование черных дыр с "волосами".

Другие эксперименты с гравитационными волнами

Предыдущие поиски гравитационных волн в космосе проводились короткими периодами в рамках планетарных миссий, имевших другие основные научные задачи (например, "Кассини — Гюйгенс"), с использованием микроволнового доплеровского отслеживания для мониторинга флуктуаций расстояния между Землей и космическим аппаратом. В отличие от этого, LISA – это специализированная миссия, которая будет использовать лазерную интерферометрию для достижения значительно более высокой чувствительности. Другие антенны гравитационных волн, такие как LIGO, Virgo и GEO600, уже функционируют на Земле, но их чувствительность на низких частотах ограничена максимально достижимой длиной плеч, сейсмическим шумом и помехами от движущихся масс вблизи. В то же время, NANOGrav измеряет частоты, слишком низкие для LISA. Различные типы систем измерения гравитационных волн – LISA, NANOGrav и наземные детекторы – дополняют друг друга, а не конкурируют, подобно астрономическим обсерваториям, работающим в разных электромагнитных диапазонах (например, ультрафиолетовом и инфракрасном).

История

Первые проектные исследования детектора гравитационных волн для запуска в космос были выполнены в 1980-х годах под названием LAGOS (Лазерная антенна для наблюдения гравитационного излучения в космосе). LISA была впервые предложена ESA в качестве миссии в начале 1990-х годов, сначала как кандидат в цикл M3, а затем как "основополагающая миссия" для программы "Горизонт 2000 плюс". По мере развития десятилетия конструкция была усовершенствована до треугольной конфигурации из трех космических аппаратов с тремя плечами длиной 5 миллионов километров. В 1997 году эта миссия была предложена как совместный проект ESA и NASA. В 2000-х годах совместная миссия ESA/NASA LISA была определена как кандидат на слот "L1" в программе ESA Cosmic Vision 2015–2025. Однако из-за сокращения бюджета NASA объявила в начале 2011 года о прекращении участия в миссиях класса L ESA. Тем не менее, ESA решила продолжить работу над программой и поручила миссиям-кандидатам L1 представить версии с уменьшенной стоимостью, которые можно было бы реализовать в рамках бюджета ESA. Уменьшенная версия LISA, с двумя плечами длиной 1 миллион километров, была разработана под названием NGO (New/Next Gravitational wave Observatory). Несмотря на то, что NGO была признана наиболее перспективной с научной точки зрения, ESA решила в качестве своей миссии L1 запустить Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE). Одной из основных проблем были технические задержки миссии LISA Pathfinder, что ставило под сомнение готовность технологии к предполагаемой дате запуска L1. В ноябре 2013 года ESA объявила о выборе "Гравитационной Вселенной" для слота L3 (ожидаемый запуск в 2034 году). После успешного обнаружения гравитационных волн детекторами LIGO в сентябре 2015 года NASA выразила заинтересованность в возобновлении участия в миссии в качестве младшего партнера. В ответ на призыв ESA представить предложения миссий для тематической миссии L3 "Гравитационная Вселенная" в январе 2017 года было представлено предложение миссии для детектора с тремя плечами длиной 2,5 миллиона километров, вновь названного LISA.

The first design studies for a gravitational wave detector to be flown in space were performed in the 1980s under the name LAGOS (Laser Antena for Gravitational radiation Observation in Space). LISA was first proposed as a mission to ESA in the early 1990s. First as a candidate for the M3 cycle, and later as 'cornerstone mission' for the 'Horizon 2000 plus' program. As the decade progressed, the design was refined to a triangular configuration of three spacecraft with three 5 million kilometre arms. This mission was pitched as a joint mission between ESA and NASA in 1997. In the 2000s the joint ESA/NASA LISA mission was identified as a candidate for the 'L1' slot in ESA's Cosmic Vision 2015–2025 programme. However, due to budget cuts, NASA announced in early 2011 that it would not be contributing to any of ESA's L class missions. ESA nonetheless decided to push the program forward, and instructed the L1 candidate missions to present reduced cost versions that could be flown within ESA's budget. A reduced version of LISA was designed with only two 1 million kilometre arms under the name NGO (New/Next Gravitational wave Observatory). Despite NGO being ranked highest in terms of scientific potential, ESA decided to fly Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) as its L1 mission. One of the main concerns was that the LISA Pathfinder mission had been experiencing technical delays, making it uncertain if the technology would be ready for the projected L1 launch date. In November 2013, ESA announced that it selected "the Gravitational Universe" for its L3 mission slot (expected launch in 2034). Following the successful detection of gravitational waves by the LIGO, ground based detectors in September 2015, NASA expressed interest in rejoining the mission as a junior partner. In response to an ESA call for mission proposals for the `Gravitational Universe' themed L3 mission, a mission proposal for a detector with three 2.5 million kilometre arms again called LISA was submitted in January 2017.