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

Я знал, что в недрах LISA Pathfinder находятся два массивных, тщательно отполированных куба из сплава золота и платины размером с маленькие пресс-папье. Несколько недель после запуска они будут находиться в состоянии идеального свободного падения. Технологическое сердце аппарата также включало миниатюрный интерферометр – лазеры, зеркала, фотодетекторы. Я не представлял, как это хрупкое оборудование выдержит автоперевозку в Великобританию (для предстартовой подготовки), перелет в Куру на грузовом самолете «Антонов», огромные нагрузки при запуске в космос и дальнейший полет к месту работы на солнечной орбите.

«Это первый шаг к наблюдению гравитационных волн в космосе, – сказал научный сотрудник программы Пол Макнамара из Европейского центра космических исследований и технологий в Нордвейке (Нидерланды). – LISA Pathfinder открывает дверь в будущее». Три месяца спустя во время запуска научный руководитель ЕКА Альваро Хименес высказался столь же выразительно – «ослепительные перспективы», «неизведанная территория», «новая глава в науке» – и мое любимое: «Уверен, что Эйнштейн был бы доволен». Я бы, впрочем, сказал «был бы в полном восторге».

Что такое LISA Pathfinder? Название говорит само за себя [121] Слово pathfinder можно перевести как «указатель курса». – Прим. ред. . Это целеуказатель лазерно-интерферометрической космической антенны – гигантской антенны, ищущей гравитационные волны в космосе. LISA станет колоссальной космической версией LIGO. Лазерные импульсы будут переотражаться в системе зеркал и телескопов между тремя космическими аппаратами, образующими группу на расстоянии нескольких миллионов километров друг от друга. Чувствительные интерферометры будут измерять ничтожные изменения расстояния между контрольными грузами – кубиками внутри аппаратов, – вызванные проходящими низкочастотными гравитационными волнами.

Никто никогда не регистрировал волны Эйнштейна в космосе. Строительство и запуск LISA без предварительного тестирования необходимых технологий – рывок в неизведанное, как если бы Орвилл и Уилбур Райты решили не тратить время на «Флайер», а сразу взялись за «Боинг-747». В определенном смысле LISA Pathfinder – это «Флайер» братьев Райт в гравитационно-волновой астрономии космического базирования.

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.