Измерение гравитационных волн

Команда ученых и инженеров Лаборатории Реактивного Движения НАСА совершила еще один шаг по направлению к открытию "гравитационных волн" - или ряби пространства-времени, предсказанной Альбертом Эйнштейном в начале 20го века. 

Исследования, проводимые в Лаборатории в Пасадене, штат Калифорния, заключаются в тестировании системы лазеров, которая будет потом запущена в космос в рамках миссии Лазерный Интерферометр (или LISA). Цель миссии - найти сигналы гравитационных волн - тончайшие, подобные шепоту, которые еще никогда не наблюдали напрямую. Это совсем непростая задача, на пути к решению которой очень много проблем. 

Новые тесты Лаборатории показывают достижение очень важной точки - того состояния, когда мы получили уверенность в том, что шум или случайные флуктуации в лазерных лучах LISA сведены до такого уровня, чтобы не помешать слышать сладкие звуки этих ускользающих волн. 

"Для открытия гравитационных волн нам необходимы исключительно точные измерения," говорит Билл Клипштейн (Bill Klipstein), физик Лаборатории. "Наши лазеры производят значительно больше шума, чем тот сигнал, который мы хотели бы измерить - это как слушать звук падения пера в центре шумного ливня." 

Миссия LISA - совместный проект Европейского Космического Агентства и НАСА, планируется к запуску не ранее 2020 года. Одной из главных целью проекта - прямое обнаружение гравитационных волн. Исследования в этой области ведутся уже десятилетия и начались в 1974, когда ученые обнаружили пару мертвых звезд - пульсаров - которые, кружась в космическом вальсе, постепенно, по спирали падают друг на друга благодаря необъяснимой потере энергии. И эта энергия была позднее определена как одна из форм гравитационных волн - первое непрямое свидетельство существования волн, которое получило в 1993м году Нобелевскую Премию по физике. 

Ожидается, что LISA не только будет "слышать" волны, но также изучать их источники - массивные объекты - черные дыры, мертвые звезды, которые поют свои песни во Вселенной, распространяя и ускоряя гравитационные волны через время и пространство. Миссия также позволит обнаружить гравитационные волны от других массивных объектов, дав ученым целый новый язык, на котором говорит наша Вселенная. 

Проект представляет собой 3 отдельных космических корабля, которые будут соединены лазерными лучами. Эти космические аппараты будут находиться в едином строю, примерно 20 градусов позади Земли, на ее орбите. В каждом аппарате будет находиться куб, сделанный из платины и золота, свободно плавающий в пространстве. Гравитационные волны проходят через космический аппарат, вызывая неуловимые изменения расстояний между тестовыми кубами -- которые можно измерить с помощью исключительно чувствительных элементов, соединенных лазерными лучами.

"Гравитационные волны будут вызывать "плавание пробок", как говорит Гленн де Вине (Glenn de Vine), ученый-исследователь и соавтор исследований Лаборатории. "Это как плавание резиновых утят на поверхности воды в ванной." 

Над разработкой концепции LISA и приборов, называемых фазометрами - сложными детекторами лазерных лучей - Лаборатория работает уже 6 лет. Последнее исследование завершает одну из главных целей - уменьшить шум фазометров в миллиард раз, чтобы позволить детектирование сигнала гравитационных волн. 

Эта задача сродни поиску протона в стоге сена. Гравитационные волны могут менять расстояние между двумя аппаратами, находящимися на расстоянии в 5 млн км -- на пикометр (около 100 млн раз меньше, чем толщина человеческого волоса). Другими словами, аппараты находятся на расстоянии 5,000,000,000 метров, a LISA позволит измерять изменение расстояний порядка .000000000005 метров!

В сердце лазерной технологии LISA - процесс, который называется интерферометрией, который показывает, на каких расстояниях находятся аппараты, и как может меняться расстояние между ними вследствие воздействия гравитационных волн. Этот процесс - как взаимное усиление или гашение волн в океане.

"Мы не можем использовать ленту, чтобы измерить расстояние между аппаратами," говорит де Вине, "Поэтому мы используем лазеры. Длина волн лазерного излучения - как отметки на измерительной ленте."

В технологии LISA, лазерный луч определяется фазометрами и затем посылается на Землю, где "интерферирует" с помощью обработки данных (процесс, который называют временная интерферометрия). Если картина интерферометрии между двумя лучами не меняется - значит, аппараты не движутся друг относительно друга. Если картина меняется, и все другие посторонние причины относительного перемещения аппаратов сведены к нулю, виновником этого будут гравитационные волны.

Такова общая идея. В реальности, конечно, есть масса влияющих факторов, которые делают процесс более сложным. С одной стороны, космические аппараты не стоят на месте, они перемещаются по другим причинам, отличным от гравитационных волн. Еще одна проблема - шум лазерного луча. Как вы узнаете, что космический аппарат двигался вследствие гравитационных волн или шум в луче дает такую картину?

И этот вопрос, который недавно решила команда. В лазерные лучи они ввели случайный, искусственный шум, который с помощью сложных методов обработки данных, вычел большую часть этого шума. Их недавний успех показал, что они смогли увидеть изменения расстояния порядка пикометра между образцами.