Большая улыбка от маленьких фемтометров: LISA Pathfinder превзошла ожидания
Фемтометр — это 10–15 метра. Для наглядности, диаметр протона составляет примерно 1,7 фемтометра. 10–14 м/с2 — это одна миллионная от одной миллиардной ускорения свободного падения на Земле. И именно такую точность, минимум в пять раз выше изначально запланированной, показал технологический демонстратор гравитационного телескопа LISA Pathfinder.
Небольшое введение
LISA Pathfinder — это аппарат для проверки возможности очень точного измерения гравитационного воздействия на тестовые массы — два кубика из сплава золота и платины, висящие в пространстве. На кубики, в идеале действует только искривление пространства-времени гравитацией. Зонд вместе со всем оборудованием висит в космосе, не касаясь кубиков, компенсируя двигателями малой тяги давление солнечного ветра и прочие возмущения. Положение кубиков очень точно измеряет специальный лазерный интерферометр. Более подробно конструкция зонда с картинками описана тут.
Планы и результаты
Этот график показывает чувствительность в зависимости от частоты. Аналогия со звуком вполне корректна — сталкивающиеся объекты разной массы будут гравитационно «звучать» на разных частотах, какие-то выше, какие-то ниже. LPF Requirements — расчетные значения чувствительности для LISA Patfinder. LISA Requirements — требования к будущему гравитационному детектору LISA из трех зондов. Линия — одна миллионная от одной миллиардной ускорения свободного падения на Земле.
Уже первое включение 1 марта 2016 года вызвало большие и широкие улыбки на лицах ученых — LISA Pathfinder превзошла по чувствительности расчетные параметры!
В течение месяца зонд настраивали, убирая очевидные технические помехи, и чувствительность стала еще лучше, на высоких частотах оказавшись выше, чем это требуется для полноценного детектора:
Интересно, что за прошедшее время ученые и инженеры поняли источники помех, и оказалось, что, в зависимости от частоты, они вызваны тремя причинами:
В левой части, на низких частотах, мешает сама конструкция аппарата. Работают двигатели, электроника, даже от звездных датчиков, которые фактически являются цифровыми фотоаппаратами без тяжелых движущихся частей, все равно идет шум.
В средней части шум возникает от врезающихся в кубики отдельных молекул. Несмотря на то, что емкость с кубиками открыта в вакуум и давление там практически равно нулю, отдельные молекулы воздуха с Земли еще не успели вылететь наружу, и мешают наблюдениям. К счастью, со временем их остается все меньше, и в этом диапазоне частот точность повышается сама собой:
Красная линия — чувствительнось в мае, она лучше, чем синяя линия апреля
Ну и, наконец, в верхней части шум возникает от интерферометра — в реальности кубики не двигаются, но прибор показывает фантомное движение из-за собственного шума.
С такой точностью детектор LISA сможет увидеть гравитационные события, происходящие за миллиарды световых лет:
Желтая линия на графике — это падение маленькой черной дыры в большую на расстоянии 3 миллиарда световых лет. А столкновение двух галактик с черными дырами в центре LISA сможет увидеть за 12 миллиардов световых лет. Это близко к Большому взрыву. И если благодаря телескопу Хаббл мы можем видеть очень далекие древние галактики, то гравитационная астрономия позволит заглянуть даже в то время, когда Вселенная была непрозрачной (первое время после Большого взрыва вещество во Вселенной было настолько близким друг к другу, что фотоны не могли далеко улететь).
Расчетное столкновение галактик должно быть гораздо «громче», чем чувствительность LISA
Пара интересных фактов
В начале июня ученые из проекта LISA Pathfinder отвечали на вопросы на Reddit, и из тех диалогов мы узнали еще несколько интересных вещей.
Прежде всего, «железо» проекта работает прекрасно, до сих пор работает первый комплект двигателей (на зонде два комплекта).
Давление солнечного ветра на LISA Patfinder составляет 28 микроньютонов.
Причина помехи, дающей пик в правой части графика пока не установлена, но ученые подозревают интерференцию от оборудования. Со временем они хотят собрать телеметрию на другой частоте, чтобы установить точную причину и устранить ее.
Будущее
Несмотря на огромный успех LISA Pathfinder и желание, чтобы гравитационный телескоп всматривался в тайны Вселенной уже сейчас, не стоит забывать, что полноценный детектор из трех аппаратов должен появиться только в 2034 году, а, учитывая постоянное смещение по срокам сложных технических проектов, скорее всего и того позже. Несмотря на успех приборов по измерению гравитационного воздействия еще не все технологии, требуемые для LISA, созданы. Например, мы (человечество) пока не умеем связывать три зонда на расстоянии несколько миллионов километров друг от друга лазерными лучами, чтобы очень точно измерять расстояние и передавать данные.
Источники
Материал создан по следующим источникам:
- Официальный пресс-релиз ЕКА
- Видеозапись пресс-конференции создателей LISA Pathfinder
- AMA ученых проекта на Reddit
