Телескоп
Как работи LISA
Скорошният успех с откриването на гравитационни вълни стимулира интереса на учените и обществеността към един интересен проект в близко бъдеще – телескопът LISA (също eLISA, от Evolved Laser Interferometer Space Antenna, „Advanced Space Antenna-Laser Interferometer“). Това е първият проект в историята, който позволява използването на гравитационните вълни за когнитивни цели – изследване на центровете на галактики, черни дупки и масивни звезди. Изстрелването на телескопа е планирано за 2034 г.
Как работи LISA
Проблемът с улавянето на гравитационни вълни
За да разберем практическата стойност на телескопа, си струва да си припомним какво представляват гравитационните вълни. Всъщност това са колебания във времето и пространството, причинени от взаимодействието на масивни обекти, които се разпространяват във Вселената на безкрайни разстояния. Просто казано, огромни и/или аномално концентрирани обекти на Вселената предизвикват поредица от компресии и изглаждания на пространствено-времевата „гладкост“. Те успяха да открият учените от сътрудничеството LIGO в края на 2015 г., което наскоро беше обявено в научни и популярни медии.
LIGO инсталация. Отдясно и отляво са 4-километровите "рамена" на интерферометъра.
LIGO използва специален лазерен интерферометър за откриване на гравитационни вълни. Под ъгъл 90° една спрямо друга са монтирани две 4-километрови тръби с вакуум вътре, през които се изстрелва лазерен лъч. Гравитационната вълна, преминаваща през LIGO, изкривява пространството - по този начин времето на преминаване на лазерния лъч между контролните точки в краищата на тръбите се променя последователно. От тези отклонения те научиха за силата на гравитационната вълна и мястото, откъдето идва. Последователността от изкривявания в двата клона на LIGO беше решаващият фактор за разделянетогравитационна вълна от шум.
Интерферометърът LIGO обаче имаше един голям недостатък, който напълно го лишава от практическа употреба. За да бъдем по-точни, LIGO беше на Земята - неблагоприятно място за изследване на космоса. Така че дори най-големите наземни телескопи не могат да постигнат качеството и обхвата, които постига орбиталният Хъбъл - всичко това поради атмосферни смущения и различни препятствия по пътя на светлинните вълни. За LIGO обаче шумът и вибрациите се превърнаха в пречки - кола, която минава дори на няколко километра, малки сеизмични промени и вятър могат да разстроят тънко устройство.
Структура на LISA
Внедрена система LISA, както се вижда от художник
Ето защо проектът LISA беше изнесен в космоса - в безвъздушно пространство, без контакт с никакви източници на вибрации, точността на измерване на гравитационните вълни ще бъде много по-висока. Освен това в космоса няма ограничения за областта на измерванията, присъщи на Земята. LISA ще се състои от три превозни средства, които ще образуват равностранен триъгълник с рамо от милиони километри — 250 000 пъти по-големи от LIGO! Това ще позволи на телескопа да регистрира вълни с амплитуда 20 пикометра, което е по-малко от размера на хелиев атом, и честота 1 около милихерца.
Но размерите на всеки компонент на LISA се губят в сравнение с разстоянието между тях - така че ще се използва нова технология за пространствена ориентация. В центъра на всяка част на телескопа ще има ориентировъчно ядро - сфера с тегло 2 килограма, неподвижна и в свободен полет. Според съвременната концепция за гравитацията две тела, защитени от външни влияния, ще запазят своето положение едно спрямо друго непроменено. Това е, което астрономите ще използват - не е толкова лесно да се запази идеалъттриъгълник в пространството, между чиито точки лежи бездна от милион километра!
Позиция на LISA спрямо Земята
За да не се изгуби в космоса и постоянно да има връзка със Земята, LISA ще бъде поставена в хелиоцентрична орбита, подобна на орбитата на Земята около Слънцето - но изоставаща от нашата планета с 20 °. Централната точка и за трите компонента на телескопа ще бъде в точката на Лагранж L3 на системата Земя-Слънце. Такава „въртяща се“ орбита около точката на Лагранж се нарича още „орбита на Лисажу“, кръстена на своя изобретател, френския математик Жул Антоан Лисажу.
Точки на Лагранж на системата Слънце-Земя
Какво е точка на Лагранж? Всичко се основава на концепция, изчислена от математика и физика Джоузеф Лагранж през 1772 г. Природата на гравитационното взаимодействие е такава, че когато едно масивно тяло се върти около друго - както Луната около Земята или Земята около Слънцето - близо до него се появяват 5 стабилни гравитационни точки, наричани още точки на Лагранж. В тези точки третото тяло, чиито размери и маса са относително малки, като космически спътник, ще остане неподвижно спрямо първите две масивни тела.
Просто казано – където се въртят две големи тела, винаги има точки на Лагранж, в които има сигурни места за въртене на още 5 малки тела. Освен това тези стабилни точки осигуряват сигурност доста агресивно - щом попадне в "клетка", ще бъде трудно за обекта да избяга. Интересно е, че първоначално Лагранж излезе с концепцията за точки за търсене на неоткрити естествени спътници на Земята - и сега точките на Лагранж се използват активно от изкуствени спътници.
Космическият телескоп Хершел също се намира в точката на Лагранж. Фонът на картината е съставенот снимки, направени от телескопа.
В допълнение към цялото оборудване, свързано с лазерни лъчи и пространствена ориентация, LISA ще носи стандартен набор от инструменти за космически телескоп - антени за вътрешна комуникация и контрол от Земята, оптични телескопи за звездна навигация, защита от радиация и компютърно оборудване.
LISA Pathfinder - пионер на трънливия път
Pathfinder с размери 2,9 × 2,1 метра е умалено копие както на отделен компонент от проекта LISA, така и на целия комплекс от телескопи. Първо хвърлен в LEO (ниска референтна орбита) на Земята, той постепенно се отдалечи на 800 хиляди километра от Земята, като по този начин навлезе в орбитата на Lissajous - но, за разлика от бъдещата орбита на LISA, до точката на Лагранж L1, а не L3.
Модел LISA Pathfinder
Основната цел на стартирането на LISA Pathfinder е да се тества навигационна система, базирана на свободно висящи органи за управление. В Pathfinder те са разположени не на милиони километри една от друга, а на 38 сантиметра една от друга – но се регулират от високопрецизен лазерен сензор, който може да открие измествания под 0,01 нанометра. Така учените в същото време ще тестват лъчевата оптична система, която в окончателния вариант ще се използва за откриване на гравитационни вълни.
От статията вече знаете, че високопрецизните лазерни измервания изискват пълна неутралност на околната среда. Космосът тук е много по-изгоден от повърхността на Земята - няма вибрации, които създават въздушни маси, механизми и твърди черупки на планетата. Но дори в открито пространство има препятствия. Например Слънцето може да нагрява тялото на LISA неравномерно, а слънчевият вятър йонизира частиците и създава магнитни полета. Да, и самото оборудване може да се нагрее исъздават смущения.
Магнитното поле на Земята предпазва планетата от слънчевия вятър. В сателитите няма такава мощна защита.
Това не е критично за повечето други спътници - обаче не е известно как това ще се отрази на системите LISA. Поради това Pathfinder е оборудван не само със системи за защита от тестове, високоточни термометри и магнитометри, но и със симулатор на нагряване - специална система ще загрява устройството на различни места, за да разбере какъв ефект ще има. Получените данни ще позволят създаването на софтуерни филтри, които премахват смущенията от данните и създават точна картина на гравитационните вълни за бъдещата система LISA.
Практическа стойност на LISA
Както виждаме, телескопът LISA е сложна система, която ще предизвика не само учени и инженери, но и космически навигатори. Освен това самият проект се носи на гребена на вълна от научни открития. Само онзи ден беше доказано самото съществуване на гравитационните вълни - и екипът на LISA планира да ги използва за изучаване на Вселената. И така, какво толкова ценно може да предложи проектът, което кара учените и инвеститорите да поемат рискове?
Досега изучаването на отдалечените части на Вселената се основаваше на много относителна картина - светлинно излъчване в различни диапазони и радиовълни. Те дават на астрономите приблизителни оценки за цвета, осветеността и размера на обектите, но ги оставят да гадаят за тяхната маса и състав. Тези данни вече са получени от астрофизиците чрез сравняване на отворени обекти един с друг - но плодовете на техния труд са неточни и не могат да бъдат проверени.
Двойна звездна система, в която една звезда изтегля материя от другата, е мощен източник на гравитационни вълни.
Гравитационните вълни откриват ново измерение в наблюдаваната вселена - света на големитетегл. LISA ще може точно да записва параметрите на обекти, които генерират вълни: двойни звезди в Млечния път, черни дупки в други галактики и свръхнови. Това дава големи перспективи. Например, знаейки точната маса и скорост на звезда в двоична система, можем да прецизираме същите параметри за една звезда от същия спектрален тип. А LISA ще може да регистрира реликтови гравитационни вълни – останките от Големия взрив.
Подобни възможности обаче ще имат висока цена за научната общност. И така, LISA ще се разработва до края на още 8 години - а вече пуснатият Pathfinder струва цели 400 милиона евро. Заслужава да се отбележи също, че целият проект се финансира само от Европейската космическа агенция - НАСА напусна разработването на LISA през 2011 г., позовавайки се на липса на средства.