LISA byłaby wspaniałym obserwatorium fal grawitacyjnych, ale istnieje sposób, aby uczynić je 100 razy potężniejszym

Pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych (GW) przez naukowców z Laserowego Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) w 2015 r. zrewolucjonizowało astronomię. Zjawisko to polega na zmarszczkach w czasoprzestrzeni spowodowanych łączeniem się masywnych obiektów i zostało przewidziane sto lat temu przez ogólną teorię względności Einsteina. W nadchodzących latach ta rozwijająca się dziedzina znacznie się rozwinie dzięki wprowadzeniu obserwatoriów nowej generacji, takich jak Laser Interferometer Space Antenna (LISA).

Z większą czułością astronomowie będą mogli śledzić zdarzenia GW z powrotem do ich źródła i wykorzystywać je do badania wnętrz UFO i praw fizyki. W ramach cyklu planowania Voyage 2050 Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) bada ważne tematy, które mogą być gotowe do 2050 r. – w tym astronomię GW. W niedawnym artykule naukowcy z Wydziału Analiz Misji Europejskiej Agencji Kosmicznej i Uniwersytetu w Glasgow przedstawiają nową koncepcję, która opierałaby się na LISA – znaną jako LISAmax. Jak donoszą, obserwatorium to może dwukrotnie poprawić czułość GW.

Badaniami kierował fizyk teoretyczny dr Waldemar Martins, analityk misji w Europejskim Centrum Operacji Kosmicznych (ESOC) Europejskiej Agencji Kosmicznej w Darmstadt w Niemczech. Dołączył do niego inżynier kosmiczny i astrofizyk Michael Khan, również analityk misji w ESOC, oraz astrofizyk dr Jean-Baptiste Pyle, pracownik naukowy w dziedzinie astronomii i astrofizyki na Uniwersytecie w Glasgow. Artykuł opisujący ich odkrycia pojawił się online pod adresem arXiv Serwer prepress niedawno i jest obecnie przeglądany pod kątem publikacji przez czasopismo Grawitacja klasyczna i ilościowa.

Odkąd naukowcy z LIGO wykryli je po raz pierwszy w 2015 r., naukowcy z LIGO i innych obserwatoriów na całym świecie udoskonalili rodzaje zdarzeń GW, które mogą wykryć. Należą do nich Obserwatorium Virgo we Włoszech (w pobliżu Pizy) i Detektor Fal Grawitacyjnych Kamioka (KAGRA) w Hida w Japonii. Od tego czasu obserwatoria te współpracują z LIGO, tworząc Ligo-Virgo-KAGRA (LVK). Wysiłki tych i innych obserwatoriów, a także ulepszenia, które zapewniły zwiększoną czułość, podwoiły liczbę wykrytych zdarzeń, a nawet wyśledziły niektóre z ich źródeł.

Jak dr Martens powiedział Universe Today za pośrednictwem poczty elektronicznej, ta pionierska praca była nieoceniona. Ale podobnie jak we wszystkich formach astronomii, przyszły postęp zależy częściowo od posiadania obserwatoriów w kosmosie:

„Teraz, gdy nie ma wątpliwości, że fale grawitacyjne można zmierzyć, astronomowie chcą wykorzystać je jako dodatkowe źródło informacji tam, gdzie wcześniej dostępne były tylko fale elektromagnetyczne. Detektory naziemne, takie jak LIGO/Virgo/Kagra, są czułe na częstotliwości zakres od dziesiątek herców do kilku kiloherców, co czyni go wrażliwym na takie źródła, jak zderzenia czarnych dziur o masie kilkudziesięciu mas Słońca.

„Jednak wiadomo, że w centrach galaktyk znajdują się znacznie większe obiekty, takie jak supermasywne czarne dziury (większe niż 10^6 mas Słońca). Połączenie tych obiektów wytwarza fale grawitacyjne znacznie poniżej czułego zakresu naziemnych detektory Aby je zobaczyć, musimy polecieć w kosmos i stworzyć obserwatorium, takie jak LISA, o rozpiętości ramion 2,5 miliona km.

Do tej pory astronomowie wykryli zdarzenia GW spowodowane przez podwójne czarne dziury (BBH) lub podwójne gwiazdy neutronowe (zdarzenia kilonowe), w których koorbitujące obiekty ostatecznie łączą się. Zakłada się również, że istnieje wiele innych możliwych źródeł, a badanie tych wydarzeń może pogłębić nasze zrozumienie wszechświata. „Wśród nich są pierwotne fale grawitacyjne, które powstały podczas operacji ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu” – powiedział dr Martins. „Mamy nadzieję, że LISA będzie w stanie to wykryć, ale nie jest to jeszcze jasne. Jest to jeden z powodów, dla których detektory o wyższej czułości i/lub innych pasmach częstotliwości powinny zostać rozważone w programie Voyage 2050”.

Voyager 2050 to najnowszy cykl planistyczny, który ma stać się częścią programu naukowego agencji oraz fundamentem i głównym „programem obowiązkowym” Europejskiej Agencji Kosmicznej. Wszystkie państwa członkowskie muszą wnieść swój wkład, a cele naukowe, propozycje i finansowanie są wybierane jednomyślnie. Kursy te mają na celu określenie długoterminowego horyzontu finansowania, który umożliwi państwom członkowskim zaplanowanie priorytetów z wyprzedzeniem i zapewni europejskiej społeczności naukowej jasną wizję obszarów badawczych wartych inwestycji i rozwoju.

Od lat 80. program planowany jest w cyklach około 20-letnich, odpowiadających ilości czasu potrzebnej do przygotowania ambitnych misji kosmicznych. Pierwszy cykl planowania (Horyzont 2000) powstał w 1984 roku i składał się z decyzji, które doprowadziły do ​​powstania misji Obserwatorium Słonecznego i Heliosferycznego (SOHO) oraz klastra Rosetta, XMM-Newton i Herschel od połowy lat 90. do początku XXI wieku. W 2005 roku rozpoczęto kolejny cykl planowania (Wizja Świata), obejmujący propozycje misji do realizacji w latach 2015-2025.

Utorowało to drogę takim misjom, jak niedawno wystrzelony JUpiter ICy Satellite Explorer (JUICE), Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA) oraz Obserwatorium Rentgenowskie LISA, które ma zostać wystrzelone do 2030 r. Najnowszy cykl, Voyage 2050, był zainicjowana przez dyrektor naukową ESA, Carol Mundell, w celu wybrania właściwości naukowych Kontynuacja misji ATHENA i LISA. Podczas gdy misje te zmienią reguły gry, szczególnie we współpracy, dr Martins i współpracownicy sugerują sposoby dalszego ulepszenia misji LISA. Jak wyjaśnił:

„Podstawową ideą LISAmax jest wykrywanie GW przy jeszcze niższych częstotliwościach niż może to zrobić LISA. Aby być czułym na te częstotliwości, należy zwiększyć ramiona lasera detektora. Większe ramiona oznaczają większe długości fal, a tym samym niższe częstotliwości. ” Trzy statki kosmiczne LISAmax zostały umieszczone „Znajdują się blisko trygonometrycznych punktów Lagrange’a w układzie Słońce-Ziemia, co daje detektorowi długość ramienia 259 milionów km. Dla porównania ramiona LISA mają długość 2,5 miliona km. To sprawia, że ​​​​LISAmax jest wrażliwy na GW w paśmie mikroherców i otwiera nowe okno na astronomię GW”.

Ogólnie rzecz biorąc, każde źródło, które można zmierzyć za pomocą LISA poniżej 1 megaherca, można zmierzyć za pomocą LISAmax przy około dwóch rzędach wielkości lepszym stosunku sygnału do szumu. Przykładem omówionym w artykule jest faza wdechu układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur. LISA będzie w stanie zobaczyć takie źródła dopiero na krótko przed ostatecznym zdarzeniem fuzji, LISAmax może obserwować te obiekty tysiące lat wcześniej, co pozwala na znacznie lepszy pomiar niektórych parametrów”.

Społeczność naukowa bada tę koncepcję, która może mieć drastyczne implikacje dla przyszłości astronomii GW. Oprócz poszerzenia zakresu wykrywalnych zdarzeń GW, obserwatoria GW nowej generacji mogą śledzić więcej zdarzeń aż do ich źródeł. Co więcej, astronomowie przewidują, że GW pozwolą im zgłębiać prawa fizyki, badać wnętrza ekstremalnych obiektów, a nawet pomagać w badaniu planet i satelitów.

Propozycja dr Martensa i współpracowników jest jedną z kilku koncepcji GW przesłanych do ESA w ramach programu Voyage 2050. Koncepcje te obejmują interferometr kosmiczny, który skanowałby niebo w poszukiwaniu szeregu GW w zakresie częstotliwości od miliherców do mikroherców (mHz do μ-Hz). Inny sugeruje, w jaki sposób można wykorzystać czułe interferometry gigawatowe w zakresie megaherców, aby dowiedzieć się więcej o naturze czarnych dziur. Inne pokazują, w jaki sposób obserwacje w zakresie decyherców (dHz) mogą stanowić „brakujące ogniwo” w astronomii GW, podczas gdy astronomia dużych kątów może pomóc w śledzeniu GW do ich źródła.

Badania nad fizyką wczesnego Wszechświata, w tym badanie pierwotnych fal grawitacyjnych, są również głównym tematem programu ESA Voyage 2050. Badając GW utworzone w erze inflacji, naukowcy będą wreszcie mogli zbadać fizykę i dokładne fizyki tego wczesnego okresu kosmicznego.