Сейчас, когда весь мир говорит об обнаружении гравитационных волн, не хочется писать ни о чем, кроме астрономии. Тем более, что проект космической лаборатории для наблюдения гравитационных волн разрабатывается уже много лет, а спутник — технологический демонстратор уже находится в космосе и скоро приступит к наблюдениям. Его запуск прошел без особой помпы, но сейчас, как мне кажется, самое время вспомнить о зонде LISA Pathfinder.

Запуск, полет и последние новости

Начиная с 12 ноября зонд проходил сборку в монтажно-испытательном комплексе на космодроме Куру во Французской Гвиане и был запущен 3 декабря:

На зонде нет оптических телескопов, это — сугубо служебное изображение со звездного датчика, полученное в рамках проверки систем

После выведения на опорную орбиту разгонный блок в течение двух недель поднимал апогей зонда и, после шестого импульса, LISA отправилась в шестинедельное путешествие к точке Лагранжа L1 системы Солнце — Земля:

По дороге разгонный блок был сброшен, и зонд скорректировал орбиту для того, чтобы выйти на траекторию вокруг точки L1:

LISA Pathfinder вышел на целевую орбиту 22 января. Последняя новость — 3 февраля сняты первые фиксаторы, удерживающие два кубика из сплава золота и платины, по движению которых будут определять воздействие гравитации. В середине февраля будут сняты вторые фиксаторы и, как ожидается, зонд приступит к наблюдениям 23 февраля. Ну а чтобы понять, как эти кубики будут измерять гравитацию, расскажем подробнее про конструкцию аппарата.

Конструкция

Конструктивно, зонд LISA Pathfinder (Laser Interferometer Space Antenna — Космическая антенна лазерной интерферометрии) представляет собой шестиугольник из композитных панелей полной массой 1900 кг:

Сверху вниз: солнечные панели, центральный элемент инструмента LTP в разобранном виде, корпус, разгонный блок

Главным научным инструментом является установка под названием Lisa Test Package Core Assembly:

По сторонам расположены два 46-мм кубика из сплава золота и платины в индивидуальных вакуумных контейнерах. Кубики отшлифованы и служат зеркалами для измерения расстояния между ними.

Один из кубиков. Полукруглые углубления — места крепления первой системы фиксации (снята 3 февраля), пирамидальное углубление по центру — место крепления второй системы фиксации и, одновременно, точка для измерения расстояния

По центру находится лазерный интерферометр с 22 зеркалами и делителями луча, который способен измерить перемещение кубиков на 0,01 нанометра.

Полная масса LTP Core Assembly составляет примерно 120 кг.

Отдельная сложная техническая задача, которую пришлось решать разработчикам, — создание системы, которая сможет выдержать тряску и вибрацию при выведении на орбиту, не потеряв точности измерений. Поэтому процесс освобождения кубиков проходит в три этапа. Сначала снимаются фиксаторы первой очереди (Caging Mechanism). Затем гораздо более точные фиксаторы второй очереди (GPRM) снимутся с точностью 200 микрометров по всем осям, сообщив кубикам скорость не больше 5 микрометров в секунду. С такой скоростью кубики смогут приблизиться к стенкам не менее чем через полчаса. При необходимости фиксаторы GPRM смогут снова зафиксировать кубики. Одновременно с высвобождением фиксаторов второй очереди включится электростатическое поле, которое подвесит кубики, не дав им коснуться стенок. Ну и, наконец, электростатическое поле будет постепенно снято, чтобы кубики повисли в максимально идеальном свободном падении.

Однако, подвесить кубики — это только половина задачи. Дело в том, что на спутник будут воздействовать случайные силы. И даже всплеска солнечного ветра от вспышки на Солнце хватит, чтобы зонд начал двигаться относительно кубиков. Необходимо, во-первых, зафиксировать это смещение, а во-вторых скомпенсировать его реактивными микродвигателями. Для этого на Lisa Pathfinder стоят целых две системы: LTP FEEP и DRS.

FEEP (Field Effect Electric Propulsion) — электрическая система движения с использованием полевого эффекта. Поскольку система экспериментальная, она тестирует два типа двигателей — щелевые и игольчатые:

Игольчатые двигатели слева, щелевые — справа

В щелевом двигателе используется полевая эмиссия разогретого до точки плавления цезия (≈ 29ºC). В игольчатых двигателях используется расплавленный индий (≈ 156ºC). Оба двигателя дают тягу, измеряемую в микрограммах, и их общая тяга сравнима с весом комара.

DRS (Disturbance Reduction System) — эта система досталась зонду от NASA. Из-за бюджетных ограничений NASA, она не имеет своих сверхточных акселерометров и будет использовать данные LTP. Двигатели сравнимы по тяге с FEEP, но используют в качестве рабочего тела ионную жидкость.

Двигатели DRS

По плану полета спутник должен проработать 180 дней — 90 дней на LTP FEEP, 60 дней на DRS (на своих менее точных датчиках) и 30 дней совместной работы, когда LTP будет управлять двигателями DRS. Впрочем, запасы рабочего тела двигателей должны будут позволить продлить срок активной жизни.

Вся эта сложнейшая и точнейшая техника нужная для того, чтобы фиксировать перемещения кубиков на нанометры, при этом максимально изолируя их от всех возможных помех. Как вы уже, наверное, слышали, гравитационные волны фиксируют именно по такому небольшому смещению масс.

eLISA

LISA Pathfinder — это технологический демонстратор. Полноценный детектор, который назвали Evolved LISA (eLISA) должен будет состоять из трех спутников и, кроме сверхточного измерения смещения тестовых масс, должен будет еще измерять с очень высокой точностью расстояние между спутниками:

Зато в космосе не будет проблемы обеспечить большое расстояние между отдельными спутниками. Для этого проекта оно оценивается от 1 до 5 миллионов километров, чего, очевидно, нельзя достичь на Земле. Двигаясь по орбите, треугольник из зондов будет менять свою плоскость и сможет фиксировать гравитационные волны с разных направлений:

Подобный детектор сможет зафиксировать вращение компактных двойных звезд, падение звезд в черные дыры, вращение двойных черных дыр из соседних галактик, а также, возможно, позволит заглянуть в молодую Вселенную, когда материя еще не пропускала свет (согласно современным представлениям Вселенная стала прозрачной для фотонов 380 тысяч лет спустя после Большого взрыва). Есть даже спекуляции, что он сможет подтвердить теорию струн.

Отдельным плюсом детектора eLISA станет то, что он будет работать на другой частоте, нежели наземный детектор LIGO, что дополнит его наблюдения.

Одна беда — по текущим планам развертывание созвездия спутников eLISA запланировано на 2034 год. Остается только надеяться, что недавний успех в обнаружении гравитационных волн позволит увеличить финансирование и запустить детектор раньше.

P.S. Небольшое объявление для уфимцев — моя следующая лекция будет 27 февраля. Тема — внешняя Солнечная система, от пояса астероидов и до таинственной девятой планеты.