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

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 [124] Cosmic Vision 2015–2025: http://sci.esa.int/cosmic-vision . Новая гравитационно-волновая обсерватория (NGO): http://sci.esa.int/ngo . , 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 [125] «Исследователь ледяных лун Юпитера» (JUICE): http://sci.esa.int/juice . Pau Amaro-Seoane et al., Doing Science with eLISA: Astrophysics and Cosmology in the Millihertz Regime (Пау Амаро-Сеоане и др. Научные исследования с помощью eLISA: астрофизика и космология в миллигерцовом диапазоне), информационный документ по eLISA ( https://www.elisascience.org/dl/1201.3621v1.pdf ). Усовершенствованная лазерно-интерферометрическая космическая антенна (eLISA): https://www.elisascience.org . («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 [126] Я присутствовал на 11-й Конференции Эдоардо Амальди, посвященной гравитационным волнам, в Кванджу (Южная Корея) 22–26 июня 2015 г. . «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 −14м), значительно превышающей требуемую.