Европейцы отправили в космос аппарат, который поможет в поиске неуловимых гравитационных волн. LISA Pathfinder с двумя болтающимися в невесомости кубиками и интерферометром на борту станет тренажером для будущего масштабного эксперимента.

При помощи ракеты «Вега» Европейское космическое агентство отправило с космодрома Куру миссию LISA Pathfinder, призванную в будущем проверить правильность положений Общей теории относительности.

Одним из следствий этой теории, столетний юбилей которой отмечался недавно, является распространение в пространстве-времени так называемых гравитационных волн — тонкого эффекта, предсказанного теоретически, но до сих пор не пойманного учеными.

Общая теория относительности гласит, что

гравитация — всего лишь проявление того факта, что любой массивный объект искривляет вокруг себя пространство-время, и именно эта кривизна изменяет характер движения других тел и отклоняет движение света. Так, огромная масса Солнца, искривляя пространство вокруг себя, заставляет менее массивную Землю двигаться в нем по почти круговой орбите как по краю воронки, в центре которой — масса, ее создающая.

Эйнштейн показал, что

любое изменение массы в определенной точке пространства изменяет и его кривизну, и это изменение распространяется по Вселенной с ограниченной скоростью — скоростью света.

Эти волны кривизны пространства-времени, благодаря которым любая точка во Вселенной «узнает» об изменениях масс во всех других точках, носят название гравитационных волн.

Теория предсказывает, что

гравитационные волны рождаются любой материей, движущейся ускоренно.

При этом амплитуда гравитационных волн тем больше, чем больше ускорение, или ускоряемая масса.

Несмотря на то что гравитация руководит большинством процессов во Вселенной, тонкие эффекты, связанные с распространением гравитационных волн, напрямую зафиксировать существующими средствами наблюдений, такими как оптические и радиотелескопы, не представляется возможным.

Пока есть лишь косвенные подтверждения, основанные на том, что некоторые тесные двойные системы звезд, как и предсказывает ОТО, теряют на излучение гравволн энергию и становятся еще «теснее».

Однако ученые не оставляют попыток прямой фиксации гравитационных волн, хотя сделать это чрезвычайно сложно.

Но при высокой точности приборов — можно. Например — оптическим интерферометром, при помощи которого была впервые измерена длина волны света.

Эффект прохождения гравитационной волны через определенную точку пространства хоть и тонок, но прост в своем проявлении. Теория предсказывает, что

проходящая волна должна растягивать пространство-время в одном направлении и сжимать — в перпендикулярном.

Тогда, используя лазерный интерферометр, в котором луч лазера позволяет с огромной точностью измерять относительные изменения плечей интерферометра по сдвигу луча, появляется возможность поймать этот неуловимый эффект.

Провести такой эксперимент ученые мечтают в космосе вдали от тяготеющих тел, с тремя покоящимися космическими аппаратами, разнесенными на 5 млн км друг от друга.

Удалить их от Земли важно, чтобы исключить влияние различных шумов — например, перемещения воды в океане, которое можно принять за источник гравволн.

Собрав столь гигантский интерферометр на орбите, астрономы надеются не только впервые поймать гравитационные волны, но и измерить их поляризацию и указать источник.

Ими могут быть сливающиеся черные дыры или, например, бешено вращающиеся пары пульсаров.

Планируется, что запуск этого дорогостоящего и сложного эксперимента Evolved Laser Interferometer Space Antenna состоится в 2034 году.

А пока, чтобы отработать технологию, в космос отправлена тестовая миссия LISA Pathfinder.

Ее задача — продемонстрировать принципиальную возможность измерения расстояния между двумя свободно плавающими в космосе пробными массами с высочайшей точностью.

Для этого ученые создали аппарат, моделирующий будущий эксперимент в масштабе одного спутника. Он будет включать в себе два свободно плавающих в пространстве тела и собственно лазерный интерферометр, измеряющий расстояние между ними.

Сам аппарат ракета отнесет от Земли на расстояние 1,5 млн км в так называемую точку Лагранжа системы Солнце – Земля, где он сможет находиться довольно долго.

Рис. 1.

Предполагается, что интерферометр сможет измерять, как меняется расстояние между двумя массами, разнесенными на 38 см, с точностью до пикометров (10^-12 м).

Сама миссия LISA Pathfinder не в состоянии фиксировать гравитационные волны, для этого пробные массы должны быть разнесены на миллионы километров. Расчеты показывают, что низкочастотные гравитационные волны от астрофизических событий могут изменить длину метрового стержня на 10^-21–10^-24 м, что на порядки меньше характерных размеров ядра атома (10^-15 м).

Использование же в будущем интерферометра с плечом в миллионы километров делает обнаружение низкочастотных гравитационных волн осуществимым.

«Конечная цель — убедиться, что мы можем достичь и измерить движение по чисто геодезической линии. Нам пришлось поработать над источниками шумов, узнать их и подавить их. То, что останется после, будет движением по прямой линии», — пояснил Сесар Гарсиа, руководитель миссии.