Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

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.