LISA: най-важната космическа мисия на века с цел търсене на гравитационни вълни

Трите сателита ще преобърнат астрофизиката през следващото десетилетие.

Човечеството се подготвя да стартира една от най-амбициозните космически мисии в историята. След 11 години Лазерната интерферометрична космическа антена (LISA, Laser Interferometer Space Antenna), уникална космическа обсерватория, състояща се от три инструмента, ще се отправи на пътешествие. Тази система ще открива гравитационни вълни и с времето може тотално да промени разбирането ни за Вселената.

LISA ще продължи традицията на революционните космически телескопи като Хъбъл и наскоро изстреляния космически телескоп Джеймс Уеб. Той обаче ще работи по съвсем нов начин и ще даде на учените достъп до някои от най-загадъчните явления във Вселената.

Гравитационните вълни са почти неуловими флуктуации в пространство-времето, причинени от движението на най-масивните обекти във Вселената: неутронните звезди и черните дупки. Тези вълни се разпространяват със скоростта на светлината, но те не са светлина. Те изкривяват пространството и само най-чувствителните инструменти могат да ги открият.

По-конкретно LISA ще може да открива източниците на гравитационни вълни, които са недостъпни за наземните детектори. Те включват компактни обекти, уловени от свръхмасивни черни дупки, и сливания на свръхмасивните черни дупки в центровете на галактиките. Освен това учените ще могат да наблюдават сливанията на бели джуджета в нашия Млечен път и сливанията на черни дупки с междинни маси, чието съществуване все още не е доказано.

През 2016 г. екипите на LIGO и Virgo за първи път откриха гравитационни вълни, потвърждавайки предвижданията на Алберт Айнщайн отпреди един век. Оттогава детекторите на мрежата LIGO-Virgo-KAGRA вече са регистрирали повече от 100 събития, свързани с тях.

Какво ги прави толкова интересни? Гравитационните вълни носят богата информация за системите, които ги генерират. С помощта на тези данни можем да преразгледаме представите си за възможните размери, среда и механика на черните дупки и неутронните звезди. За разбирането на еволюцията на Вселената това е наистина безценна информация.

Идеята обаче се ражда много преди първите открития на гравитационни вълни. Теоретичните основи на проекта са положени от физика Пийт Бендер преди повече от 30 години. Реалните очертания на мисията започват да се оформят в края на 90-те години. През януари 2024 г. Европейската космическа агенция (ЕКА) официално одобри проекта, давайки му зелена светлина.

„LISA е толкова сложна, че в началото, когато беше предложена, никой не вярваше, че това е възможно“, казва Юън Фицсимънс, изследовател в британския Център за астрономически технологии към Кралската обсерватория в Единбург.

Фицсимънс работи по проекта LISA от 18 години, като започва с предшестващата мисия LISA Pathfinder.

За разлика от наземните детектори на гравитационни вълни като LIGO, проектът LISA ще работи в космоса. Космическият апарат ще образува равностранен триъгълник със страни с дължина 2,5 милиона километра. Това е почти два пъти повече от диаметъра на Слънцето!

Отделните системи ще се въртят около Слънцето по орбита, подобна на земната, но малко по-назад от нашата планета. Тази конфигурация ще избегне смущенията, с които се сблъскват наземните детектори: вибрации от преминаващи влакове, вятър и дори сеизмичната активност на Земята.

Принципът се основава на лазерната интерферометрия. Лазерни лъчи ще се движат между космическите апарати и учените ще измерват времето на преминаването им. Когато гравитационна вълна премине през системата, тя леко ще промени разстоянието между апаратите. Това ще се забележи по промяната във времето за пътуване на лазерния лъч.

Всъщност LISA ще може да регистрира вълни от обекти с маси между 10^4 и 10^7 слънчеви маси.

Една от ключовите технологии на LISA са телескопите на борда на всеки космически апарат. Те обаче е по-добре да се наричат „разширители на лъча“, обяснява Райън Дероса, ръководител на проекта. Тези устройства увеличават радиуса на лазерния лъч няколкостотин пъти, за да компенсират разсейването му на огромните разстояния между апаратите.

Проектът се оценява на 1,6 милиарда долара. Сега екипи от ЕКА и НАСА работят по изграждането на действителното оборудване, което ще отиде в космоса.

„Най-голямото предизвикателство при LISA е да се уверим, че тя работи, тъй като много от компонентите не могат да бъдат тествани на Земята“, отбелязва Фицсимънс.

Инженерите са изправени пред много технически предизвикателства. Така например телескопът на LISA е изработен изцяло от стъкло, за да се сведе до минимум топлинното разширение, което може да повлияе на точността на измерванията. Въпреки това стъклото е крехък материал и ще трябва да бъде транспортирано безопасно в космоса, преодолявайки всички напрежения при изстрелването на ракета.

Друг важен компонент на LISA са оптичните стендове. Те осигуряват референтната равнина за всички измервания и за самия телескоп. Оптичните стендове се сглобяват с помощта на специализирана роботизирана система за интегриране, която прикрепя елементите към основната плоча с пикометрична точност. По-голямата част от стенда също е изработена от стъкло и керамика, а за свързването на компонентите се използва технологията на хидроксидно-каталитичното свързване.

Въпреки предизвикателствата учените очакват с нетърпение старта на LISA. Тази мисия обещава да постави началото на нова ера в изучаването на черните дупки и начина, по който те оформят пространство-времето.

Експериментите по подготовката на мисията LISA започнаха още през 2016 година. Тогава в космоса бяха изведени два 4,6-сантиметрови куба, направени от сплав на злато с платина. Разликата в масите на тези обекти е от порядъка на земен вирус. Те са поставени в две отделни вакуумни камери, където се намират в пълна неподвижност. Извършено бе калибриране и проверка на новите технологии. През 2023 година експериментите успешно бяха продължени. Сега вече предстои извеждането на трите сателита на LISA в орбита около Слънцето.