Учёные обнаружили первую давно предсказанную гравитационную волну в 2015 году, и с тех пор исследователи жаждут более совершенных детекторов. Но Земля тёплая и сейсмически шумная, и это всегда будет ограничивать эффективность наземных детекторов. Является ли Луна подходящим местом для новой обсерватории гравитационных волн? Может быть. Идея отправить телескопы в космос сработала хорошо, и установка обсерватории для поиска гравитационных волн на Луне тоже могла бы помочь, хотя предложение, очевидно, очень сложное.
Большая часть астрономии посвящена свету. Чем больше мы его изучаем, тем больше мы узнаём о природе. Вот почему такие телескопы, как “Хаббл” и JWST, находятся в космосе. Атмосфера Земли искажает изображения с телескопов и даже блокирует часть света, например инфракрасного. Космические телескопы решают обе эти проблемы и именно поэтому они произвели революцию в астрономии.
Почему Луна?
Обнаружение гравитационных волн требует чрезвычайно чувствительных инструментов. Точно так же, как атмосфера Земли может вносить “шум” в наблюдения телескопа, сейсмическая активность Земли может создавать проблемы для детекторов гравитационных волн. Луна имеет большое преимущество перед нашей динамичной, постоянно меняющейся планетой: на ней гораздо более слабая сейсмическая активность.
Со времён “Аполлона” мы знаем, что на Луне имеется сейсмическая активность. Но в отличие от Земли, большая часть её активности связана с приливными силами и ударами крошечных метеоритов. Большая часть лунной сейсмической активности также слабее и намного глубже, чем у Земли. Это привлекло внимание исследователей, разрабатывающих Лунную гравитационно-волновую антенну (LGWA).
Разработчики LGWA написали новую статью “Лунная гравитационно-волновая антенна: исследования миссии и научный пример” и разместили её на сервере препринтов arXivOrg. Ведущий автор – Парамесваран Аджит, астрофизик из Международного центра теоретической науки Института фундаментальных исследований Тата, Бангалор, Индия. Аджит также является представителем научного сотрудничества LIGO.
Обсерватория гравитационных волн на Луне покроет пробел в частотном охвате.
“Учитывая размер Луны и ожидаемый шум, создаваемый лунным сейсмическим фоном, LGWA сможет наблюдать гравитационные волны в диапазоне от 1 МГц до 1 Гц”, – пишут авторы. “Это сделает LGWA недостающим звеном между космическими детекторами, такими как LISA с пиковой чувствительностью около нескольких миллигерц, и предлагаемыми будущими наземными детекторами, такими как телескоп Эйнштейна или Cosmic Explorer”.
Если LGWA будет построена, то она будет состоять из массива детекторов планетарного масштаба. Уникальные условия Луны позволят LGWA открыть более широкое окно в науку о гравитационных волнах. Луна имеет чрезвычайно низкую фоновую сейсмическую активность, которую авторы описывают как “сейсмическую тишину”. Отсутствие фонового шума позволит проводить более чувствительные обнаружения.
Затенённые кратеры
Луна также имеет чрезвычайно низкие температуры внутри своих постоянно затенённых областей. Детекторы должны быть переохлаждены, а низкие температуры в таких областях облегчают эту задачу. LGWA будет состоять из четырёх детекторов в кратере на одном из полюсов Луны.
LGWA – это амбициозная идея, потенциально способная изменить правила игры в научной сфере. В сочетании с телескопами, наблюдающими во всём электромагнитном спектре, а также с детекторами нейтрино и космических лучей (так называемая мультимессенджерная астрономия) она может улучшить наше понимание целого ряда космических событий.
LGWA будет обладать уникальными возможностями для обнаружения космических взрывов.
“Только LGWA может наблюдать астрофизические события, в которых участвуют белые карлики, такие как события приливного разрушения и взрывы сверхновых типа Ia”, – объясняют авторы.
Они также отмечают, что только LGWA сможет предупредить астрономов за недели или даже месяцы о слиянии компактных двойных систем солнечной массы, включая нейтронные звёзды.
LGWA также сможет обнаруживать более лёгкие двойные чёрные дыры промежуточной массы (IMBH) в ранней Вселенной. IMBH сыграли роль в формировании сегодняшних сверхмассивных чёрных дыр (SMBH) в сердце галактик, подобных нашей. У астрофизиков есть много вопросов без ответов о чёрных дырах и о том, как они развивались, и LGWA должна помочь ответить на некоторые из них.
Слияние двойных белых карликов (DWD) за пределами нашей галактики – это ещё одна вещь, которую сможет почувствовать только LGWA. Их можно использовать для измерения постоянной Хаббла. За прошедшие десятилетия учёные получили более точные измерения постоянной Хаббла, но расхождения всё ещё существуют.
LGWA также расскажет нам больше о Луне. Её сейсмические наблюдения раскроют внутреннюю структуру Луны более подробно, чем когда-либо ранее. Учёные до сих пор многого не знают о формировании, истории и эволюции нашего естественного спутника. Сейсмические наблюдения LGWA также прольют свет на геологические процессы на Луне.
Местоположение LGWA
Миссия LGWA всё ещё находится в стадии разработки. Прежде чем её можно будет реализовать, учёным необходимо узнать больше о том, где они планируют её разместить. Вот тут-то и пригодится предварительная миссия Soundcheck.
В 2023 году ЕКА включило Soundcheck в свой резервный фонд научной деятельности на Луне. Soundcheck будет не только измерять сейсмическое смещение поверхности, магнитные колебания и температуру, но и станет миссией по демонстрации технологий.
“Проверка технологии Soundcheck фокусируется на развёртывании, механике и считывании инерционных датчиков, управлении температурой и выравнивании платформы”, – объясняют авторы.
В астрономии, астрофизике, космологии и связанных с ними научных исследованиях всегда кажется, что мы находимся на пороге новых открытий и нового понимания Вселенной и того, как мы вписываемся в неё. Причина, по которой так всегда кажется, заключается в том, что это правда. Люди становятся всё лучше и лучше в этом, и появление и расцвет науки о гравитационных волнах является примером этого, хотя мы только в начале пути. Не прошло и десяти лет с тех пор, как учёные обнаружили свою первую гравитационную волну. Как пойдут дела дальше?
Несмотря на хорошо разработанную дорожную карту для науки о гравитационных волнах, важно понимать, что исследование нашей Вселенной с помощью гравитационных волн всё ещё находится в зачаточном состоянии. Помимо ожидаемого огромного влияния на астрофизику и космологию, эта область таит в себе высокую вероятность неожиданных и фундаментальных открытий.