15
Прорыв в космос

Еда была прекрасная, а прием ужасный.

В смысле мобильный плохо принимал. По приглашению ЕКА я прибыл в составе международной группы журналистов в Гвианский космический центр в Куру, чтобы наблюдать за запуском космического аппарата LISA Pathfinder. За день до старта мы отлично пообедали в ресторане Garbet des Maripas на берегу реки Куру посреди джунглей. Желающие даже прокатились в пестрых пирóгах. Казалось, мы попали в отпускной рай и незачем поддерживать связь с остальным миром.

Все изменилось между второй и третьей сменами блюд, когда директор по запускам Гаэле Винтерс объявил, что из-за неполадок с датчиком температуры в головном блоке ракеты запуск, назначенный на раннее утро 2 декабря 2015 г., откладывается. Разумеется, журналисты кинулись звонить редакторам, обновлять блоги, выкладывать посты в соцсетях и писать твиты, но в ресторане не оказалось Wi-Fi, а мобильные телефоны не видели сети.

К счастью, кто-то обнаружил, что ниже по реке связь есть, хотя и с перебоями – всего одна «палочка», но для работы хватит. Все столпились на маленьком деревянном причале, вознося смартфоны над головами. Представляю, как мы смотрелись!

Проблему с датчиком решили быстро, и запуск был отложен всего на день, на 3 декабря, 1:04 по местному времени. Небольшая европейская ракета-носитель «Вега» устремилась в ночное небо, ослепительный факел скрылся в пелене облаков. Через несколько минут образцово-показательный запуск со всеми непременными атрибутами – ревущим пламенем, клубами дыма и прочим – был успешно осуществлен. Сотрудники в центре управления аплодировали и обнимались. Некоторые работали над этим проектом более 15 лет. Шампанское текло рекой. Текли и слезы.

За три месяца до запуска я близко познакомился с LISA Pathfinder в чистой комнате компании Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH в Оттобрюнне немного южнее Мюнхена, где аппарат проходил испытания. Адрес Эйнштейнштрассе, 20, как нельзя лучше подходил для тестирования спутника, задачей которого должна была стать регистрация гравитационных волн в космосе. Аппарат размером с ванну, упакованный в золотистую теплоизоляцию, венчал модульный отсек с двигательной установкой. Остальное пространство занимал гигантский контейнер, подготовленный для транспортировки спутника во Французскую Гвиану.

Я знал, что в недрах LISA Pathfinder находятся два массивных, тщательно отполированных куба из сплава золота и платины размером с маленькие пресс-папье. Несколько недель после запуска они будут находиться в состоянии идеального свободного падения. Технологическое сердце аппарата также включало миниатюрный интерферометр – лазеры, зеркала, фотодетекторы. Я не представлял, как это хрупкое оборудование выдержит автоперевозку в Великобританию (для предстартовой подготовки), перелет в Куру на грузовом самолете «Антонов», огромные нагрузки при запуске в космос и дальнейший полет к месту работы на солнечной орбите.

«Это первый шаг к наблюдению гравитационных волн в космосе, – сказал научный сотрудник программы Пол Макнамара из Европейского центра космических исследований и технологий в Нордвейке (Нидерланды). – LISA Pathfinder открывает дверь в будущее». Три месяца спустя во время запуска научный руководитель ЕКА Альваро Хименес высказался столь же выразительно – «ослепительные перспективы», «неизведанная территория», «новая глава в науке» – и мое любимое: «Уверен, что Эйнштейн был бы доволен». Я бы, впрочем, сказал «был бы в полном восторге».

Что такое LISA Pathfinder? Название говорит само за себя. Это целеуказатель лазерно-интерферометрической космической антенны – гигантской антенны, ищущей гравитационные волны в космосе. LISA станет колоссальной космической версией LIGO. Лазерные импульсы будут переотражаться в системе зеркал и телескопов между тремя космическими аппаратами, образующими группу на расстоянии нескольких миллионов километров друг от друга. Чувствительные интерферометры будут измерять ничтожные изменения расстояния между контрольными грузами – кубиками внутри аппаратов, – вызванные проходящими низкочастотными гравитационными волнами.

Никто никогда не регистрировал волны Эйнштейна в космосе. Строительство и запуск LISA без предварительного тестирования необходимых технологий – рывок в неизведанное, как если бы Орвилл и Уилбур Райты решили не тратить время на «Флайер», а сразу взялись за «Боинг-747». В определенном смысле LISA Pathfinder – это «Флайер» братьев Райт в гравитационно-волновой астрономии космического базирования.

В наземных детекторах контрольными грузами служат зеркала в обоих концах плеч интерферометра. Они слегка сближаются и отдаляются при прохождении гравитационной волны. Как мы знаем, изменения дистанции между ними чрезвычайно малы – намного меньше диаметра протона. Поэтому зеркала необходимо изолировать от любых высокочастотных колебаний, которые могут возникать в окружающем пространстве. В сущности, это главная сложность при создании таких лазерных интерферометров, как LIGO и Virgo.

В космосе нет грохочущих грузовиков и захлопывающихся дверей. Это гораздо более спокойная среда, но и там присутствуют многочисленные нежелательные воздействия. Спутники сотрясает излучение Солнца – солнечный свет оказывает слабое, но ощутимое давление. В любой момент с любой стороны может ударить микрометеорит или молекула газа, из атмосферы Земли и других планет. Заряженные частицы, которые Солнце выбрасывает в пространство, небольшие изменения температуры, магнитные поля, высокоэнергичное космическое излучение – множество помех угрожают регистрации волн Эйнштейна.

Лучший способ защитить контрольный груз от любых нежелательных воздействий – заключить его в пустотелый космический аппарат. Давление солнечного излучения или удар пылевой частицы может изменить направление движения аппарата, но он скорректирует свое положение относительно размещенного внутри контрольного груза с помощью двигателей малой тяги. Тогда на контрольный груз будет влиять только гравитация Солнца и планет – это и есть «свободное падение».

Впрочем, как обычно, не все так просто. Слабые силы действуют на контрольный груз и в недрах пустотелого космического корабля. Даже в глубоком вакууме всегда присутствуют атомы газа. Определенное влияние оказывают перепады температуры и магнитные поля. Медленное накопление электрического заряда на контрольном грузе может вызвать его крохотное смещение. Слабые гравитационные воздействия самого космического аппарата не бывают строго симметричными. Более того, они меняются, поскольку микродвигатели расходуют топливо. Чтобы узнать, удалось ли добиться идеального свободного падения контрольного груза, необходимо учесть все эти слабые силы и ускорения. Однако это невозможно, если аппарат всегда «делает то же самое», что и груз, который он несет, – отсутствуют эталонные измерения.

Вот зачем нужен второй контрольный груз. Побочные эффекты у двух контрольных грузов не могут быть совершенно одинаковыми. Если оба находятся в состоянии идеального, ничем не нарушаемого свободного падения, их взаимное расстояние и ориентация остаются неизменными. Под влиянием второстепенных воздействий внутри пустотелого космического аппарата два контрольных груза начнут медленно смещаться один относительно другого. Если вы сумеете измерить это крохотное смещение, то получите отличный показатель достигнутой степени «невозмущенности» системы.

Главная задача LISA Pathfinder – продемонстрировать способность обеспечивать полный, ничем не нарушаемый покой. Контрольные грузы в форме куба со стороной 46 мм сделаны из сплава 73 % золота и 27 % платины. Выбор материала обусловлен низкой магнитной восприимчивостью и высокой плотностью: каждый куб весит почти 2 кг. Аналогичные контрольные грузы в будущем будут использоваться в полномасштабном детекторе LISA. Стоит такой кубик около $70 000 (без учета намного более дорогого процесса высокоточной механической обработки). Контрольные грузы LISA Pathfinder, вероятно, являются самыми дорогостоящими изделиями из металлических сплавов, когда-либо запущенными в космос, – и самыми необычными «пресс-папье» в истории.

Два куба из золота и платины будут парить в невесомости, каждый в собственной маленькой полости в недрах корабля. Их вместилища из молибдена разнесены на 38 см. Они также имеют форму куба со стороной 54 мм. Между каждой гранью контрольного груза и стенкой камеры остается зазор всего в 4 мм. Там действительно тесно! Разумеется, кубы никогда не должны касаться внутренних стен своей темницы.

Как инженеры-разработчики LISA Pathfinder добились этого потрясающего результата? Шесть стенок первой камеры оснащены емкостными датчиками, позволяющими с высокой точностью измерять просветы между каждой стенкой и парящим в невесомости кубом (назовем его контрольным грузом № 1). Как только куб отклоняется от центрального положения (вероятнее всего, под воздействием давления солнечной радиации на наружную оболочку космического аппарата или какой-либо другой внешней силы), микродвигатели корректируют положение аппарата в пространстве, выбрасывая крохотное количество газообразного азота. Таким образом, аппарат «следует» за движением контрольного груза № 1 по солнечной орбите.

Однако состояние контрольного груза № 1 не является идеальным свободным падением в силу вышеупомянутых слабых воздействий. Ученые хотят получить точную оценку этих эффектов, чтобы узнать, насколько созданная среда близка к невозмущенной. Как мы знаем, остаточные силы немного по-разному действуют на два куба. Со временем контрольные грузы № 1 и № 2 начнут слегка смещаться относительно друг друга. Поскольку корабль следует за грузом № 1, груз № 2 вскоре коснется внутренней стенки своей камеры.

Электростатическое поле внутренних стенок второй камеры воздействуют на контрольный груз № 2, возвращая его обратно, как только он приходит в движение. Расходуемый при этом ток позволяет судить об относительных перемещениях и ускорениях кубов. Чем меньше необходимая корректирующая сила, тем лучше.

LISA Pathfinder оборудован маленьким интерферометром, состоящим из двух лазерных плеч и 22 зеркал и светоделителей. Интерферометр находится между защитными корпусами контрольных грузов. Он точно измеряет слабейшие изменения расстояния и ориентации кубиков из драгоценного сплава. Его задача – продемонстрировать возможность измерения расстояний в космосе с точностью до пикометра. Точность интерферометра в несколько тысяч раз выше, чем емкостных датчиков.

В LISA Pathfinder тестируются практически все новые технологии будущей Лазерно-интерферометрической космической антенны. Единственное, чего Pathfinder не будет делать – регистрировать гравитационные волны, поскольку для этого он слишком мал.

Зачем вообще мерить гравитационные волны в космосе? Как вы помните, наземные детекторы, например LIGO и Virgo, чувствительны к волнам Эйнштейна с частотами от 10 Гц до 1000 Гц. На Земле регистрация волн существенно меньшей частоты невозможна, поскольку ниже нескольких герц сейсмический шум окружающей среды слишком силен. В невозмущенной среде космоса ничто не мешает измерять низкочастотные волны, если интерферометр имеет достаточно длинные плечи. Длина плеч LISA составит несколько миллионов километров, следовательно, он будет способен фиксировать гравитационные волны частотой от 1/10 000 Гц (100 мкГц) до 1 Гц. Это заполнит разрыв между высокочастотными измерениями наземных интерферометров и наногерцовыми – решеток для наблюдения за временнóй динамикой пульсаров, о которых рассказывалось в главе 13.

Значит ли это, что астрономы рассчитывают зарегистрировать возмущения пространственно-временного континуума в среднем диапазоне? Да, безусловно. Тесные двойные системы белых карликов в нашей галактике постоянно излучают гравитационные волны в этом интервале частот, как и двойные ЧД звездной массы за несколько месяцев или лет до столкновения и слияния. Более того, космическая обсерватория сможет наблюдать слияние двойных сверхмассивных ЧД в других галактиках Вселенной. В конце этой главы я вернусь к разговору о потенциальных источниках гравитационных волн. Пока остановимся на том, что астрономы всегда были убеждены в необходимости перенести поиск в космос.

Одного убеждения, однако, недостаточно для осуществления сложной и дорогостоящей программы. Проект LISA прошел долгий тернистый путь – это история преодоления бесчисленных препятствий и заминок длиной в несколько десятилетий.

Мысль о создании детектора гравитационных волн космического базирования возникла еще в середине 1970-х гг. Когда LIGO был не более чем далекой мечтой, Рэй Вайсс проработал почти все детали этого проекта в статье, опубликованной в Quarterly Progress Report в 1972 г. Его первоначальный замысел предполагал наземный лазерный интерферометр в километр длиной. Но не лучше ли построить его в космосе, где отсутствуют проблемы внешних вибраций и подвеса зеркал?

В 1974 г. на праздничном ужине Вайсс поделился идеей с Питером Бендером из Колорадского университета в Боулдере. С этого момента Бендер работал над воплощением мечты в жизнь – он считается одним из отцов-основателей проекта LISA. Кстати, сначала он назывался SAGA – «Космическая антенна для гравитационно-волновой астрономии» (Space Antenna for Gravitational-Wave Astronomy). Прошло больше десяти лет, прежде чем идея SAGA трансформировалась в полноценный замысел научной программы, получившей название «Лазерная антенна для наблюдения гравитационных волн в космосе» (Laser Antenna for Gravitational-Wave Observations in Space, LAGOS). На тот момент LIGO находился на начальном этапе разработки.

LAGOS предполагал использование трех космических аппаратов, образующих в пространстве гигантскую «V» со сторонами 1 млн км и следующих за Землей в ее движении вокруг Солнца. Лазерные импульсы должны были переотражаться между «материнским кораблем» в узловой точке «V» и свободно падающими контрольными грузами в двух «дочерних кораблях». Интерферометрия отраженного лазерного излучения позволила бы регистрировать ничтожные изменения длины плеч. Фактически это был бы громадный LIGO, построенный в космосе (с плечами, расположенными друг относительно друга не под прямым углом, а под 60°, но это не существенно). Благодаря орбитальному движению вокруг Солнца положение любого постоянного источника гравитационных волн можно с точностью вычислить методом триангуляции в течение года. В общем, LAGOS был очень масштабным и смелым проектом, но потенциальные источники финансирования сочли замысел слишком незрелым, рискованным и дорогим – вероятно, справедливо.

Однако ученые, убежденные в плодотворности своей идеи, так просто не сдаются. Немецкий физик Карстен Данцманн подал в ЕКА новое предложение в 1993 г., когда перебрался из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Мюнхене в Ганновер с целью организации новой группы по изучению гравитационных волн. ЕКА принимало заявки на третью миссию среднего масштаба (М3) в рамках научной программы Horizon 2000+, и Данцманн этим воспользовался. Момент был выбран удачно. В минувшем, 1992 г. Национальный фонд содействия развитию науки заключил с Массачусетским и Калифорнийским технологическими институтами соглашение о строительстве LIGO. Уже были выбраны места для будущих наземных интерферометров – Хэнфорд и Ливингстон. В Италии только что получил одобрение проект Virgo.

Лазерно-интерферометрическая космическая антенна – так была названа новая задумка – оказалась еще более масштабной, как LAGOS. Предложение Данцманна включало шесть космических кораблей, по два на каждый узел пространственного построения. Более того, сторона треугольника составляла бы 5 млн км. Каждый аппарат предлагалось оснастить лазерами, светоделителями, телескопами, зеркалами и фотодетекторами. Из каждой вершины в две другие направлялись бы пучки когерентного лазерного излучения. Фактически LISA мыслилась как три гигантских наложенных друг на друга интерферометра. Их согласованная работа позволила бы измерять поляризацию гравитационных волн – выявлять разницу амплитуды волны в разных направлениях. Это дало бы дополнительную информацию о телах, участвующих в орбитальном движении, в том числе об их ориентации в пространстве и угловых скоростях.

Проект LISA оказался слишком амбициозным и не попал в программу Horizon 2000+ в качестве миссии М3. Данцманн с коллегами подали повторную заявку, описав ее как возможную «фундаментальную миссию» европейской программы изучения космоса. Скоро, однако, стало ясно, что в одиночку ЕКА не в состоянии профинансировать этот проект, и возникла мысль объединить силы с НАСА, поделив расходы, оценивавшиеся примерно в $1,5–2 млрд. В 1996 г. в Великобритании прошел первый международный симпозиум-биеннале, посвященный LISA. Через два года ученые предложили создать образец для демонстрации технических решений – ELITE (European LISA Technology Experiment). Дело двигалось, хотя и значительно медленнее, чем надеялись многие участники.

Подробный план проекта был составлен только к 2010 г. К этому времени замысел ELITE развился в LISA Pathfinder, но и работа над демонстрационной миссией надолго задерживалась. Старт работ по проекту перенесли на 2013 г., от идеи шести космических аппаратов вернулись ради экономии к первоначальным трем. Предполагалось, что тяжелая американская ракета-носитель «Атлас» одновременно вывела бы все три в космос в 2018 г.

3 февраля 2011 г. команда проекта LISA представила свои планы на собрании в штаб-квартире ЕКА в Париже с надеждой, что агентство объявит поиск гравитационных волн флагманской миссией новой программы изучения космоса Cosmic Vision 2015–2025. Другими двумя претендентами на роль миссии L1 (от Large – «большая») также были совместные проекты ЕКА и НАСА: исследование ледяных спутников Юпитера несколькими автоматическими станциями (Jupiter Icy Moons Explorer, JUICE) и большая рентгеновская обсерватория. На основе парижской презентации и последующих рекомендаций Консультативного комитета по космической науке ЕКА должно было сделать окончательный выбор летом того же года.

Беда пришла неожиданно. 15 марта, менее чем через шесть недель после собрания в Париже, НАСА прекратило финансирование всех трех совместных с европейскими коллегами научных программ. Главным причинами стали разразившийся в США бюджетный кризис и огромные расходы на Космический телескоп им. Джеймса Уэбба, инструмент почти инфракрасного диапазона, принявший эстафету у «Хаббла». Проект LISA не получил и высшего приоритета в отчете 2010 г. «Новые миры, новые горизонты», в котором Национальный совет по научным исследованиям дал оценку американским проектам в области астрономии и астрофизики на десятилетие 2012–2021 гг.

В ответ на неблагоприятное решение НАСА уходящий со своего поста директор ЕКА по науке Дэвид Саутвуд решил отложить выбор первой флагманской миссии Cosmic Vision до весны 2012 г. Он надеялся, что трем командам хватит времени подготовить исключительно европейские, значительно менее дорогостоящие альтернативы. В течение нескольких месяцев сообщество ученых, занимающихся поиском волн Эйнштейна, разработало новый проект, названный NGO (Новая гравитационно-волновая обсерватория). Длину плеч интерферометра вновь урезали до 1 млн км, что позволяло уменьшить размеры телескопов и зеркал и мощность лазера. Это снижало вес трех спутников и позволяло вывести их в космос двумя относительно дешевыми российскими ракетами «Союз». Более того, в проекте NGO остался один интерферометр вместо трех. Как и в первоначальной схеме LAGOS, «материнский корабль» нес бы лазер и регистрационное оборудование (как центральные здания LIGO и Virgo), а два «дочерних» – только торцевые зеркала интерферометра.

Тем не менее 3 мая 2012 г. Комитет по научным программам ЕКА выбрал в качестве миссии L1 не NGO и не урезанный проект рентгеновской обсерватории, а Jupiter Icy Moons Explorer. Аппараты JUICE будут запущены в 2022 г. и отправятся изучать спутник Юпитера Ганимед – ледяное небесное тело, превышающее размеры планеты Меркурий, – по пути сфотографировав еще два спутника, Европу и Каллисто. Аппарат достигнет системы Юпитера в 2030 г. и через три года выйдет на орбиту Ганимеда, став первым в истории искусственным спутником спутника другой планеты. Замечательная программа, но специалисты по гравитационным волнам рассчитывали на другое!

Научный руководитель проекта LISA Pathfinder Пол Макнамара прекрасно помнит всеобщее уныние после 9-го симпозиума по LISA, состоявшегося в Париже в конце мая 2012 г. Представители НАСА в нем не участвовали, международная научная группа была распущена. Проект и прежде сталкивался с задержками, но теперь намного меньшей, дешевой и скромной программе NGO было отказано в реализации. Все были угнетены. «Атмосфера как на похоронах», – вспоминал Макнамара.

Данцманн и его коллеги не сдались. В 2028 г. будет запущена вторая флагманская миссия (L2) программы Cosmic Vision, а в 2034 г. – третья (L3). С целью объединения научного сообщества был образован новый независимый консорциум. В мае 2013 г. команда опубликовала аналитический доклад о потенциальной научной отдаче миссии в духе NGO, названной eLISA («е» от evolved – «усовершенствованный»). «Появление низкочастотной гравитационно-волновой обсерватории добавит новую грань нашему пониманию Вселенной, – утверждалось в разделе «Выводы». – eLISA станет первой программой в истории, исследующей всю Вселенную в поисках гравитационных волн. [Она] займет уникальное место в научном ландшафте 2028 г.».

Упорство дало плоды. В ноябре 2013 г. ЕКА объявило научные темы миссий L2 и L3. Вторая миссия будет посвящена астрофизике высоких энергий (рентгеновскому излучению), третья – гравитационным волнам. До официального старта программы оставалось много лет, но космическое агентство по крайней мере уделило внимание этому направлению космических наук. Впервые появилась уверенность, что лазерный интерферометр космического базирования станет реальностью хотя бы через 60 лет после того, как Рэй Вайсс и Питер Бендер выдвинули эту идею. Даже очередной перенос запуска LISA Pathfinder на конец 2015 г. уже не казался проблемой – времени сколько угодно.

Среди участников 11-й Конференции по гравитационным волнам им. Эдоардо Амальди в конце июня 2015 г. в Кванджу (Южная Корея) царило приподнятое настроение. «Слухи о кончине LISA оказались сильно преувеличенными», – обратился к аудитории британский астрофизик Джонатан Гейр, перефразируя Марка Твена, после чего описал фантастический научный потенциал программы. Саймон Барке из руководимого Данцманном Института им. Альберта Эйнштейна в Ганновере был столь же оптимистичен. На одном из слайдов его презентации аббревиатура eLISA расшифровывалась как «совершенствующаяся лазерно-интерферометрическая космическая антенна» вместо «усовершенствованная». Кто знает, возможно, миссия вернет былой размах! Или ее удастся вывести в космос на пять лет раньше, в 2029 г., в 150-летнюю годовщину со дня рождения Альберта Эйнштейна. Барке даже предположил, что к программе может снова присоединиться НАСА, особенно в случае успеха LISA Pathfinder или первых прямых регистраций наземными интерферометрами. Он, разумеется, не мог знать, что до GW150914 оставалось меньше трех месяцев.

Кстати, НАСА не осталось в стороне. Агентство выразило заинтересованность в участии в миссии eLISA и готовность вложить до $150 млн, а также подключилось к программе LISA Pathfinder. На космический аппарат были установлены система контроля отсутствия сопротивления и ориентации, а также микродвигатели разработки американских ученых, работающие с теми же контрольными грузами, что и европейское оборудование, но по другой технологии. В демонстрационной миссии будущей гигантской и дорогой космической обсерватории имеет смысл протестировать разные подходы.

Затем наступил чудесный 2016 г.

22 января, через 7 недель после успешного вывода в космос, LISA Pathfinder достиг расчетной точки примерно в 1,5 млн км от Земли по направлению к Солнцу. В четверг, 11 февраля, ученые LIGO и Virgo сделали эпохальное заявление о регистрации GW150914. О гравитационных волнах узнал весь мир. Пять дней спустя два куба из золота и платины были отпущены в свободное падение в тесных камерах внутри Pathfinder (во время запуска и полета они были жестко зафиксированы механическими зажимами и «пальцами»). Выполнение научной программы началось 1 марта.

Скоро стало очевидно, что LISA Pathfinder превосходит всеобщие ожидания. Экранированное нутро космического аппарата оказалось самым спокойным местом в Солнечной системе. Чистое остаточное относительное ускорение контрольных грузов составило около одной сотой от одной квадриллионной доли ускорения свободного падения на Земле. Если эта цифра ничего вам не говорит, такое ускорение создает сила, эквивалентная весу на Земле кишечной палочки. Это состояние достаточно близко непотревоженному свободному падению, чтобы регистрация низкочастотных волн Эйнштейна стала возможной. Более того, лазерный интерферометр Pathfinder способен измерять расстояние между двумя кубиками с точностью до 35 фемтометров (3,5 × 10⁻¹⁴ м), значительно превышающей требуемую.

Впечатляющие первые результаты были обнародованы в Physical Review Letters 7 июня. Менее чем через две недели рабочая группа проекта L3 НАСА выложила в интернете оперативный отчет. Команда была организована в конце 2015 г. с целью подготовки списка возможностей для участия американцев в третьей флагманской миссии ЕКА. Один из выводов команды гласил, что «значительный вклад американского [научного] сообщества в разработку, подготовку и осуществление L3 повысит техническую надежность миссии и ее научную осуществимость». В отчете предлагались пути возвращения НАСА в программу в качестве младшего партнера – в полном соответствии с заключением более раннего отчета консультативной группы ЕКА по строительству гравитационной обсерватории (GOAT).

15 августа программа получила очередное ускорение, на сей раз благодаря Национальному совету по научным исследованиям. В его промежуточной оценке прогресса решения задач, поставленных в десятилетнем исследовании «Новые миры, новые горизонты», группа авторов настоятельно рекомендовала НАСА в течение текущего десятилетия вернуться к финансированию eLISA и способствовать расширению программы до первоначального масштаба. На первой странице отчета было изображение гравитационных волн в представлении художника и график GW150914. «Мы продемонстрировали свой основной посыл на обложке», – сказал участник группы Нил Корниш из Университета штата Монтана на встрече в Цюрихе через несколько недель.

Это был 11-й симпозиум по LISA, состоявшийся недалеко от Швейцарского федерального технологического института (прежде Швейцарской федеральной политехнической школы), где Альберт Эйнштейн изучал физику и математику в конце XIX в. Если 9-й симпозиум напоминал похороны, то этот – празднование дня второго рождения. Все были в приподнятом настроении, особенно после сообщения директора ЕКА по науке Альваро Хименеса, что официальное объявление миссии L3 будет перенесено с 2018 г. на октябрь 2016 г. Заявки должны быть поданы в январе 2017 г., что позволит принять решение уже в 2020 г. «Мы хотим, чтобы ваши мечты осуществились, – сказал Хименес собравшимся специалистам по гравитационным волнам. – Рассчитывать на 2029 г. было бы слишком оптимистично, но мы сможем вывести миссию в космос раньше, чем предполагалось, где-то в начале 2030-х гг.».

Пол Херц, руководитель астрофизического подразделения НАСА, пообещал всемерную поддержку, признав, что «в 2011 г. исходное партнерство с LISA было разорвано», и заверив присутствующих, что «находится здесь, чтобы покончить с этим [разрывом]». Херц выразил уверенность, что программа будет настоятельно рекомендована в следующем отчете Национального совета по научным исследованиям на грядущее десятилетие, в 2020 г., при условии что ученые сумеют подготовить убедительную заявку.

На следующий день, в среду, 7 сентября, консорциум eLISA и рабочая группа L3 из НАСА провели первое совместное собрание и обсудили варианты изменения и совершенствования исходного плана миссии. НАСА не обещало вернуться к финансированию 50/50, но и несколько миллионов долларов очень важны. Вариантов усовершенствований предлагалось много: более крупные телескопы, более мощные лазеры, бóльшая длина плеч (2 млн км или даже 5 млн). Как сказал Данцманн: «Мы должны предложить нечто такое, чтобы все упали». Ученым очень хотелось вернуться к схеме из трех интерферометров вместо одного, с размещением лазеров на каждом из трех космических аппаратов. Все надеялись, что V-образную схему eLISA с двумя плечами удастся достроить до замкнутого треугольника. «Мы хотим вернуть третье плечо, – заявил Данцманн ко всеобщему восторгу, – и мы вернем третье плечо».

Физик из MIT Дэвид Шумейкер, работающий по этому направлению с 1975 г. и по настоящее время возглавляющий Advanced LIGO, был чрезвычайно доволен: «Это очень важное собрание. Судя по всему, это поворотный пункт в судьбе eLISA. Я предлагаю отныне отказаться от е в названии. Теперь у нас снова LISA».

До принятия окончательного решения по строительству Лазерно-интерферометрической космической антенны еще пройдет время (заявка на миссию подана 13 января 2017 г.), но уже ясно, что в начале 2030-х гг. лазерные пучки начнут переотражаться между тремя космическими аппаратами, летящими группой вокруг Солнца в нескольких миллионах километров друг от друга, держа дистанцию с точностью до пикометра. Наконец астрономы смогут зарегистрировать волны Эйнштейна на миллигерцовых частотах, излученные тесными двойными системами и сливающимися сверхмассивными ЧД на окраинах наблюдаемой Вселенной.

LISA, возможно, не останется в одиночестве. На собрании в Цюрихе Сюити Сато из токийского Университета Хосэй отчитался в ходе работ по проекту «Децигерцовой интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории» (Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory, DECIGO). Масштабный замысел возник в 2001 г. DECIGO должен был стать своего рода мини-LISA с тремя маленькими космическими аппаратами на дистанции порядка тысячи километров друг от друга. В следующем десятилетии на орбиту Земли можно будет вывести демонстрационную миссию поменьше (pre-DECIGO) с плечами 100 км, а в 2030-х гг. осуществить программу в полном объеме.

Тем временем китайские ученые строят планы создания двух космических интерферометров. Первый – «ТянКин» – предложен командой университета Чжуншань в Гуанчжоу. Он будет состоять из трех аппаратов на орбите Земли, образующих гигантский треугольник с Землей в центре. Плечи интерферометра составят около 150 000 км. Более крупная структура для размещения на орбите Солнца разрабатывается Академией наук КНР. При длине плеч 3 млн км она сопоставима с LISA. По словам Гань Цзина из Института механики АН КНР, два китайских проекта могут быть объединены в одну миссию с предполагаемым выводом в космос в начале 2030-х гг.

Можно только гадать, что именно «увидят» космические интерферометры. Разумеется, у астрономов есть обоснованные предположения, но детали неясны. Рассмотрим, к примеру, слияние сверхмассивных ЧД. Если в центре большинства галактик находятся гигантские ЧД и если галактики сталкиваются, можно предполагать, что их ЧД в конце концов начнут совершать орбитальное движение в центре объединенной галактики. Сначала они будут излучать только наногерцовые гравитационные волны, обнаруживаемые посредством долгосрочного высокоточного измерения временнóй динамики радиопульсаров (см. главу 13). Затем, в случае сближения пары ЧД по спирали, орбитальный период уменьшится, а частота волны Эйнштейна возрастет. Примерно за два года до столкновения и слияния LISA сможет зарегистрировать эти волны независимо от удаленности их источника.

Однако, поскольку свету нужно время, чтобы пересечь Вселенную, мы наблюдаем галактики, находящиеся от нас на расстояниях в миллиарды световых лет, такими, какими они были миллиарды лет назад. Чтобы оценить возможную частоту слияний сверхмассивных ЧД, астрономам нужно знать историю эволюции галактик и ЧД в их ядрах, а также вероятность того, что каждая двойная система сверхмассивных ЧД рано или поздно переживает столкновение. Теоретики предложили широкий спектр прогнозов на основе различных астрофизических гипотез, но никто не знает точного ответа.

Ответ дадут наблюдения гравитационных волн – это, безусловно, огромный плюс LISA. Любая жизнеспособная теория эволюции галактик и ЧД должна согласовываться с наблюдаемой частотой слияний. Через несколько лет работы LISA покажет, какие теории ошибочны, а какие могут соответствовать действительности.

Еще меньше мы знаем о компактных объектах, попадающих в сверхмассивную ЧД. Время от времени такая ЧД в ядре галактики поглощает звезду или облако газа, оказавшиеся слишком близко. Предположительно, в рядовой галактике вроде нашей такое событие случается раз в несколько миллионов лет. Нормальная звезда, подобная Солнцу, почти наверняка будет разорвана на части приливными силами ЧД. Некоторые выбросы рентгеновского излучения, наблюдаемые в других галактиках, возможно, вызваны подобными событиями. Но значительно более компактный объект, например белый карлик, нейтронная звезда или относительно маловесная ЧД, может преодолеть приливное воздействие. Если в результате это обреченное небесное тело начнет все быстрее обращаться вокруг сверхмассивной ЧД, то при этом будут излучаться гравитационные волны, которые LISA сможет зарегистрировать. Такое событие называется слиянием с экстремальным соотношением масс (Extreme Mass Ratio Inspiral, EMRI), поскольку ненасытная ЧД несравнимо массивнее своей жертвы.

К сожалению, никто не знает, насколько часто происходят EMRI. Оценки разнятся от нуля до тысяч событий в год. Слишком много неизвестных: распределение масс сверхмассивных ЧД (сколько их приходится на определенный диапазон масс), количество компактных объектов в центральных областях галактик, детали процесса и т. д. Возможно, компактные объекты не задерживаются на орбите ЧД, а просто исчезают. Наблюдения LISA дадут астрономам ответы и на эти вопросы. Каким бы ни оказался наблюдаемый уровень EMRI, эти события позволят узнать, что происходит – и что не происходит – в ядрах галактик повсюду во Вселенной.

Это относится и к двойным системам белых карликов в нашей Галактике. Как говорилось в главе 5, каждая солнцеподобная звезда заканчивает свою жизнь белым карликом – небесным телом массой почти как у Солнца, но размером не больше Земли. Поскольку большинство звезд Млечного Пути входят в двойные или кратные системы, можно предполагать, что двойных белых карликов очень много. Если они обращаются по общей орбите достаточно быстро и близко друг к другу, то постоянно излучают волны Эйнштейна в частотном диапазоне LISA. (Такие пары в других галактиках, скорее всего, находятся слишком далеко, чтобы мы могли зарегистрировать создаваемые ими возмущения пространственно-временного континуума.)

За последние десятилетия астрономы открыли несколько двойных белых карликов. Особенно интересна система SDSS J065133.338+284423.37, сокращенно J0651. Она находится на расстоянии около 3500 св. лет в созвездии Близнецов. Между двумя карликовыми звездами всего 100 000 км – около четверти расстояния от Земли до Луны. Они совершают оборот по общей орбите за 12,75 минуты, следовательно, должны излучать гравитационные волны частотой 2,6 мГц – как раз посередине диапазона чувствительности LISA. Более того, астрономы знают, что эта система излучает волны: орбитальный период уменьшается на 0,29 мс в год. J0651 послужит LISA контрольным источником, как и несколько других тесных двойных систем.

Никто, однако, не знает, сколько именно тесных двойных белых карликов имеется в Млечном Пути. LISA поможет составить их полный список, невероятно расширив наши знания об эволюции систем двойных звезд в целом и о свойствах белых карликов в частности.

Возможно, вы задаетесь вопросом, как LISA будет различать источники гравитационных волн и определять свойства каждого. LIGO совсем нелегко зарегистрировать отдельное событие. Как разобраться в десятках или даже сотнях постоянных источников волн Эйнштейна, каждый из которых по-своему воздействует на пространственно-временной континуум? Событие GW150914 было изолированным и ясно различимым, как щелчок бича, но Млечный Путь, где изобилуют двойные системы белых карликов, можно сравнить с актовым залом, где стоит неумолчный гул бесчисленных жужжащих волчков. Разве контрольные грузы LISA не будут хаотически двигаться, реагируя на множество разных частот одновременно?

Не все так плохо. Действительно, большое число одновременных сигналов гравитационных волн будут накладываться друг на друга, но относительно легко разложить беспорядочный на первый взгляд результирующий сигнал на составляющие синусоиды. Наш мозг делает это постоянно. Барабанные перепонки единовременно реагируют на множество звуковых волн. Тем не менее мы без труда различаем человеческий голос, звонок своего сотового и шум проезжающей машины, даже если слышим их одновременно. Все, что нужно, – анализ данных.

Конечно, идентифицировать некоторые формы волны будет сложно просто потому, что не известно, чего ожидать. Например, космологи надеются найти свидетельства существования суперструн – удивительных одномерных структур с очень высокой плотностью массы и большой энергией, возможно пронизывающих Вселенную. Эти топологические дефекты пространственно-временного континуума предсказывают некоторые теории Большого взрыва, но никто не знает, существуют ли они и какого характера гравитационные волны могут порождать. В любом случае собираемые LISA данные станут кладезем информации для ученых, занимающихся астрономией, астрофизикой высоких энергий и космологией.

На мой взгляд, одним из самых замечательных качеств LISA станет способность предупреждать нас о приближающихся столкновениях ЧД. Если бы эта программа уже действовала в 2015 г., астрономы предсказали бы время GW150914 с точностью до нескольких секунд. Более того, они бы точно знали, где искать электромагнитные проявления события. Все телескопы на Земле и в космосе обследовали бы место катастрофы в поисках одновременной рентгеновской вспышки, излучения видимого или инфракрасного света, и, разумеется, все сотрудники LIGO приникли бы к мониторам в центрах управления.

Это не сказка. Непосредственно перед столкновением друг с другом две ЧД звездной массы имеют орбитальный период в несколько миллисекунд – именно поэтому они излучают высокочастотные гравитационные волны, которые могут быть зарегистрированы LIGO и Virgo. За месяцы или годы до ДТП космического масштаба у них намного больший орбитальный период, исчисляемый секундами или даже минутами. Наземные детекторы не могут наблюдать соответствующие низкочастотные волны, но LISA «увидит» их, причем, вероятно, с расстояния в миллиарды световых лет.

В результате длительного изучения постоянного источника волн космическая обсерватория сможет определить его местоположение в небе методом триангуляции. Большие наземные оптические телескопы попытаются найти галактику, в которой находится двойная система, и установить расстояние до нее. Подробный анализ сигнала даст астрономам точную информацию о массах двух объектов и изменении их орбиты. Задолго до столкновения и слияния они откроют почти все свои секреты. Когда орбитальный период сократится до нескольких секунд, LISA не сможет наблюдать сигнал, но недалек момент, когда чувствительный наземный интерферометр примет эстафету, чтобы стать свидетелем заключительных стадий слияния. Разумеется, все уже будут наготове.

Ученый мир замер в предвкушении. В университетах, институтах и лабораториях по всему земному шару самые светлые умы неустанно и самоотверженно трудятся над тем, чтобы Лазерно-интерферометрическая космическая антенна стала реальностью и была готова к выводу в космос примерно к 2031 г. Еще около 15 лет, и LISA – а также ее японский и китайский аналоги, если этим проектам будет сопутствовать успех, – совершит переворот в области гравитационно-волновой астрономии.

Это не значит, что ближайшие полтора десятилетия не обещают ничего интересного. Поговорим о более близких свершениях – и не в космосе, а на Земле. Точнее, под землей.