Nylig har European Space Agency (ESA) offisielt godkjent det første eksperimentelle prosjektet for å måle gravitasjonsbølger i verdensrommet. Prosjektet, kalt Laser Interferometric Space Antenna (LISA), vil oppdage de massive krusningene i rom-tid utløst av kosmiske hendelser som sammenslåing av supermassive sorte hull ved å analysere den nøyaktige timingen for forplantningen av en laserstråle over 2,5 millioner kilometer innenfor solsystemet.
Den europeiske romfartsorganisasjonen kunngjorde 25. januar at byggingen av oppdraget på flere milliarder euro vil begynne i 2025, med en oppskyting i 2035. "Oppdraget er svært nyskapende og vil åpne et vindu på kildene til gravitasjonsbølger som bare LISA kan oppdage," sa Valeriya Korol, en astrofysiker ved Max Planck Institute for Astrophysics i Garsing, Tyskland, som er medlem av LISA-samarbeidet. team.
Det som gjør LISA unik sammenlignet med bakkebaserte detektorer er dens evne til å oppdage gravitasjonsbølger ved lavere frekvenser, noe som betyr at den kan kaste lys over mye større og fjernere kosmiske fenomener, som sorte hull som går i bane rundt hverandre, som er mye større i omfang. og avstand enn de som først ble oppdaget av det bakkebaserte Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) i 2015.
LISA-prosjektet har vært underveis lenge, minnes Karsten Danzmann, direktør ved Max Planck Institute for Gravitational Physics i Hannover, Tyskland, og leder av LISA-konsortiet, som opprinnelig skrev forslaget til LISA for 31 år siden. Eksperimentet tar sikte på å oppdage gravitasjonsbølger ved å måle avstanden (til nærmeste trilliondel av en meter) som en laser beveger seg mellom to massepunkter millioner av kilometer unna, med en slik presisjon at praktisk talt ingenting annet enn romtiden i seg selv kan påvirke bevegelsen til massepoengene.Karsten Danzmann er sikker på at prosjektet vil komme til virkelighet, og sier at "Folk syntes først ideen var latterlig, men jeg ba dem bare være tålmodige."
LISA Mission Golden Triangle:Deteksjon av gravitasjonsbølger i rommet
LISA-programmet vil bestå av tre enhetlig konfigurerte romfartøyer som vil kretse rundt Solen i en likesidet trekantformasjon (Figur 1). Inne i hvert romfartøy er det en 4,6 cm lang flytende kube laget av gull og platina. Ved å bruke lasere for nøyaktig å måle de relative avstandene mellom disse kubene, er LISA i stand til å oppdage subtile romlige og tidsmessige variasjoner indusert av gravitasjonsbølger med svært høy presisjon (i størrelsesorden pikometer, eller en milliarddels millimeter). Slike endringer produseres av akselerert bevegelse av massive gjenstander. Disse fine målingene lar LISA finne kilden til gravitasjonsbølger, en enhet Valeriya Korol beskriver som "et instrument fra science fiction".
Figur 1 Konseptuellt diagram av LISA-oppdragsromfartøyet. 3 satellitter vil danne en trekant i bane rundt solen.
Karsten Danzmann påpeker at til tross for utfordringene med å gjøre høypresisjonsmålinger på slike avstander, er rommiljøet mye mer gunstig for slike eksperimenter enn bakken. Fraværet av vibrasjoner, atmosfæriske forstyrrelser og andre svingninger i rommet gir et nesten perfekt vakuum for eksperimenter. Teknologiens kompleksitet krever imidlertid at utstyret er ekstremt pålitelig, da det ikke bare kan repareres på stedet når det først er lansert.
LISA-prosjektet er designet for å oppdage gravitasjonsbølger ved bølgelengder mellom 300,000 kilometer og 3 milliarder kilometer, en rekkevidde som fyller gapet mellom deteksjonsevnen til det bakkebaserte Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) og Pulsar Timing Array. Den kan oppdage gravitasjonsbølger ved lengre bølgelengder sammenlignet med LIGO og ved relativt kortere bølgelengder sammenlignet med Pulsar Timing Array. For tiden utfører Pulsar Timing Array forskning for å observere og studere gravitasjonsbølger i hele galaksen ved å bruke noen stjerner som "beacons", som sender ut periodiske signaler som hjelper forskere med å oppdage lengre bølgelengder av gravitasjonsbølger.
Utsikter for LISA og Global Collaboration on Gravitational Wave Detection
Karsten Danzmann påpeker at forskjellige eksperimenter observerer sine egne unike fenomener og gir komplementære data, akkurat som radioteleskoper og enheter med synlig lys gjør. Takket være sin store størrelse, vil LISA være i stand til å oppdage gravitasjonsbølger fra supermassive svarte hulls fusjoner, samt signaler som ble sendt ut tidligere i kollisjonsfasen oppdaget av LIGO.LISA forventes også å avsløre aldri før sett kosmiske hendelser, som hvite dvergkollisjoner utover størrelsen på sorte hull og binære sorte hullssammenslåinger med ulik masse.
Astronomer forventer at eksperimentet vil oppdage gravitasjonsbølgebakgrunnsstøy generert i det tidlige universet, som er spådd av teori, og potensielt fange opp signaler som sendes ut av de tidligste sorte hullene, sa Valeriya Korol. LISA forventes å hjelpe forskere til å forstå mer nøyaktig hvordan frekvensen av utvidelsen av universet har endret seg ved å måle avstandene til kildene til gravitasjonsbølgene det oppdager.
Kina planlegger også å lansere sine egne romgravitasjonsbølgedetektorer på 2030-tallet, som omtales som Space Gravitational Wave Detection "Taiji Program" og "Tianqin Program". Kinas romgravitasjonsbølgedeteksjonsprogram har blitt hjulpet av utviklingen av LISA-prosjektet, som øker muligheten for implementering. Programmet til "Tianqin-programmet" er kjent som det kinesiske programmet, og i motsetning til det europeiske LISA-programmet, er målet å bygge et rombasert gravitasjonsbølgeobservatorium rundt 2035 ved å utplassere tre helsynkrone satellitter i geosentriske baner i en høyde av ca. 100,000 kilometer, som utgjør en likesidet trekantet konstellasjon med en sidelengde på ca. 170,000 kilometer "Tianqin", for å utføre romdeteksjon av gravitasjonsbølger. "Taiji-planen" er i bunn og grunn den samme som den europeiske LISA-planen, i den heliosentriske banen omtrent 50 millioner kilometer unna Jorden, og sender ut tre helt like satellitter, trestjernes formasjonsbane med solen som sentrum, designet av den interfererende armlengden, det vil si satellittavstanden på 3 millioner kilometer. Tianqin, LISA, Taiji tre planer, førstnevnte er en geosentrisk bane program, de to sistnevnte er heliosentriske bane program, trenger den samme kjerneteknologien, har også sine egne forskjellige tekniske vanskeligheter, men romgravitasjonsbølgedeteksjon har komplementære. Godkjenningen av LISA-programmet av ESA markerer en viktig milepæl i det vitenskapelige miljøet.
