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

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) [122] Космическая антенна для гравитационно-волновой астрономии (SAGA): http://adsabs.harvard.edu/full/1985ESASP.226..157F . . 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» [123] Национальный совет по научным исследованиям, New Worlds, New Horizons in Astronomy and Astrophysics («Новые миры, новые горизонты в астрономии и астрофизике») [Washington, DC: National Academies Press, 2010] ( https://www.nap.edu/catalog/12951/new-worlds-new-horizons-in-astronomy-and-astrophysics ). , в котором Национальный совет по научным исследованиям дал оценку американским проектам в области астрономии и астрофизики на десятилетие 2012–2021 гг.