Впервые учёные зафиксировали давно предсказанные гравитационные волны (ГВ) в 2015 году, и с тех пор исследователи жаждут создания более совершённых детекторов. Но на Земле тепло и сейсмически шумно, и это всегда будет ограничивать эффективность земных детекторов.
Является ли Луна подходящим местом для новой обсерватории гравитационных волн? Возможно. Отправка телескопов в космос дала хорошие результаты, и установка обсерватории ГВ на Луне тоже может оказаться успешной, хотя это предприятие, очевидно, будет очень сложным.
Большая часть астрономии связана со светом. Чем лучше мы его фиксируем, тем больше узнаем о природе. Именно поэтому такие телескопы, как «Хаббл» и Уэбб, находятся в космосе. Земная атмосфера искажает изображения, получаемые телескопами и даже блокирует некоторые виды света, например инфракрасный. Космические телескопы позволили обойти обе эти проблемы и произвели революцию в астрономии.
Гравитационные волны — это не свет, но их обнаружение всё равно требует особой чувствительности. Как земная атмосфера может вносить «шум» в наблюдения телескопа, так и сейсмическая активность Земли может создавать проблемы для детекторов гравитационных волн. У Луны есть большое преимущество перед нашей динамичной, постоянно меняющейся планетой: она обладает гораздо меньшей сейсмической активностью.
Ещё со времён «Аполлона» мы знаем, что на Луне наблюдается сейсмическая активность. Но в отличие от Земли, большая часть её активности связана с приливными силами и крошечными метеоритными ударами. Кроме того, сейсмическая активность на Луне слабее и гораздо глубже, чем на Земле. Это привлекло внимание исследователей, разрабатывающих Лунную гравитационно-волновую антенну (LGWA).
Разработчики LGWA написали новую работу «Лунная гравитационно-волновая антенна: Исследования миссии и научная разработка». Ведущий автор — Парамсваран Аджит, физик/астрофизик из Международного центра теоретической науки, Института фундаментальных исследований Тата, Бангалор, Индия. Аджит также является членом научного сотрудничества LIGO.
Обсерватория гравитационных волн (GWO) на Луне восполнит пробел в частотном охвате.
«Учитывая размер Луны и ожидаемый шум, создаваемый лунным сейсмическим фоном, LGWA сможет наблюдать ГВ примерно от 1 мГц до 1 Гц», — пишут авторы. «Это сделает LGWA недостающим звеном между космическими детекторами типа LISA с пиковой чувствительностью около нескольких миллигерц и будущими наземными детекторами типа телескопа Эйнштейна или Cosmic Explorer».
Если LGWA будет построен, он будет представлять собой массив детекторов планетарного масштаба. Уникальные условия Луны позволят LGWA открыть более широкое окно в науку о гравитационных волнах. На Луне крайне низкая фоновая сейсмическая активность, которую авторы описывают как «сейсмическую тишину». Отсутствие фонового шума позволит проводить более чувствительные обнаружения.
Также в постоянно затенённых участках Луны держатся очень низкие температуры. Детекторы нужно охлаждать, а низкие температуры облегчают эту задачу. Предполагаемый LGWA будет состоять из четырёх детекторов, расположенных в кратере, находящемся на одном из лунных полюсов.
LGWA — это амбициозная идея с потенциально меняющей научную картину отдачей. В сочетании с телескопами, ведущими наблюдения во всём электромагнитном спектре, а также с детекторами нейтрино и космических лучей — так называемой астрономией мульти-мессенджеров — она может расширить наше понимание целого ряда космических событий.
LGWA будет обладать уникальными возможностями для обнаружения космических взрывов. «Только LGWA сможет наблюдать астрофизические события, связанные с белыми карликами, такие как приливные разрушения и возникновение сверхновых типа Ia», — объясняют авторы. Они также отмечают, что только LGWA сможет предупредить астрономов за несколько недель или даже месяцев до слияния компактных двойных звёзд солнечной массы, включая нейтронные звёзды.
LGWA также сможет обнаружить более лёгкие бинарные чёрные дыры средней массы в ранней Вселенной. Последние сыграли свою роль в формировании современных сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик, подобных нашей. У астрофизиков есть много вопросов, связанных с чёрными дырами и их эволюцией, и LGWA должна помочь ответить на некоторые из них.
Слияния двойных белых карликов за пределами нашей галактики — ещё одна вещь, которую сможет «почувствовать» только LGWA. Их можно использовать для измерения постоянной Хаббла. За десятилетия учёные получили более точные измерения постоянной Хаббла, но расхождения всё ещё остаются.
LGWA также расскажет нам больше о Луне. Благодаря сейсмическим наблюдениям внутренняя структура Луны предстанет перед нами детальнее, чем когда-либо. Учёные до сих пор многого не знают о её формировании, истории и эволюции. Сейсмические наблюдения LGWA также прольют свет на геологические процессы на Луне.
Миссия LGWA всё ещё находится в стадии разработки. Прежде чем приступить к её реализации, учёные должны знать больше о том, где они планируют её разместить. В этом и заключается предварительная миссия Soundcheck.
В 2023 году ЕКА включило Soundcheck в резервный пул научных мероприятий для Луны. Soundcheck будет не только измерять сейсмические смещения поверхности, магнитные колебания и температуру, но и станет демонстрационной технологической миссией. «Проверка технологии Soundcheck сосредоточена на развёртывании, механике инерциального датчика и считывании показаний, терморегулировании и выравнивании платформы», — поясняют авторы.
В астрономии, астрофизике, космологии и смежных научных областях всегда кажется, что мы находимся на пороге новых открытий и нового понимания Вселенной и того, как мы в неё вписываемся. И кажется так потому, что это правда. Наше понимание этих областей постоянно совершенствуется, и появление и расцвет науки о ГВ служит тому примером, хотя она только началась. Не прошло и десяти лет с тех пор, как учёные обнаружили свой первый ГВ.
Как будут развиваться события дальше?
«Несмотря на хорошо разработанную «дорожную карту» науки о ГВ, важно понимать, что исследование нашей Вселенной с помощью ГВ всё ещё находится в зачаточном состоянии», — пишут авторы в своей статье. «В дополнение к ожидаемого огромного влияния на астрофизику и космологию, эта область таит в себе высокую вероятность неожиданных и фундаментальных открытий».
