Прошло сто лет с тех пор, как Эйнштейн представил свою общую теорию относительности, но она все так же помогает нам раскрывать глубокие тайны Вселенной. Теперь и миссия LISA Pathfinder («Следопыт») подготовит для нас способ изучения жестоких событий, которые мы раньше не видели — вроде создания массивных черных дыр.

Этот зонд предназначен для проверки технологии, необходимой для запуска другой миссии, eLISA, в 2034 году, которая будет искать рябь в пространстве — известную как гравитационные волны. Интересно также и то, что этот проект поможет нам проверить самые экстремальные аспекты ОТО Эйнштейна.

В погоне за волнами

Общая теория относительности утверждает, что гравитация является лишь проявлением того, что масса приводит к искривлению окружающего пространства, и кривизна пространства определяет путь, который проходит любой другой объект или свет. Когда Земля вращается вокруг Солнца, огромная масса светила искажает пространство вокруг него, позволяя менее массивной Земле просто следовать самому «прямому» из возможных путей, но в искривленном пространстве: вытекающим следствием является известная всем нам орбита.

Эйнштейн показал, что если что-то, связанное с распределением массы, приводит к искажению региона пространства, изменения кривизны будут распространяться с конечной скоростью — ее мы знаем как скорость света. Эта распространяющаяся рябь кривизны пространства называется гравитационными волнами.

Гравитация — сила, организующая Вселенную, но до сих пор смогли наблюдать лишь некоторые из ее самых поверхностных проявлений. Тем не менее возможность непосредственно обнаруживать и изучать гравитационные волны откроет совершенно новое окно во Вселенную.

Наблюдения гравитационных волн позволят нам увидеть интимные подробности создания массивных черных дыр; сверхмассивные черные дыры, вращающиеся и закручивающиеся по мере столкновения галактик; нейтронные звезды и черные дыры, кружащиеся в парах до тех пор, пока не сольются.

Напрямую увидеть такие события с использованием обычных телескопов, измеряющих электромагнитное излучение, невозможно. Это потому, что взбудораженная материя, обычно окружающая такие события, будет закрывать наш электромагнитный обзор. Кроме того, черные дыры, которые мы никогда не наблюдали напрямую, совершенно не излучают в электромагнитном спектре. Но Эйнштейн предсказал, что они будут излучать гравитационные волны в случае ускорения — как если бы были в орбитальной системе — и значит, детектор гравитационных волн смог бы их увидеть.

Большие проблемы — большие выгоды

Эффект проходящей гравитационной волны относительно простой: волна растягивает пространство в одном направлении и сжимает его в другом под нужными углами. Детекторы гравитационных волн, так называемые лазерные интерферометры, уже существующие на Земле, разбивают лазерный луч на два перпендикулярных направления и отправляют их по длинным вакуумным трубам. Затем две дорожки отражаются обратно зеркалами в точку, с которой начинали, где и расположен детектор. Если лазерные дорожки будут потревожены гравитационными волнами на своем пути, заново собранные лучи отразят изменения в общей яркости.

Чтобы поймать самые богатые и насыщенные сигналы гравитационных волн, придется отправиться в космос. eLISA станет первой космической обсерваторией гравитационных волн.

eLISA будет состоять из трех спутников в расположении треугольником со сторонами в несколько миллионов километров. Точные измерения длин сторон будут проведены между «тестовыми массами» каждого космического аппарата — свободно плавающих зеркал, которые отражают измеряемые лазерные лучи, путешествующие вдоль сторон треугольника.

eLISA — сложная миссия. Но научный выхлоп будет огромным. Первый шаг — убедиться, что требуемая чувствительность достижима. Чтобы продемонстрировать это, миссия LISA Pathfinder выведет тестовые массы и систему измерения длины на кронштейне, уместившемся в небольшой компактный космический аппарат. Тестовые массы, в идеале, должны будут двигаться совершенно невозмутимо, без каких-либо помех извне. Лазерный интерферометр будет контролировать разделение между ними, чтобы подтвердить отсутствие незаметных бродячих крошечных сил.

Британская команда долго и упорно трудилась над системой лазерной метрологии для «Следопыта». Для них запуск будет определяющим моментом, который ознаменует захватывающее начало гравитационной волновой астрономии в космосе.