Создание созвездия интерферометров в космосе для измерения фона гравитационных волн
Каждый год сотни тысяч пар черных дыр сливаются в космическом танце, который деформирует окружающее пространство-время и распространяется через гравитационные волны, излучаемые во всех направлениях. С 2015 года крупные наземные интерферометры LIGO, Virgo и KAGRA позволили обнаружить их сигналы, хотя до сих пор было замечено и зарегистрировано лишь около сотни событий.
Большинство гравитационных волн, по сути, остаются неразличимыми: поскольку они накладываются и складываются вместе, их эволюция создает плоский, рассеянный фоновый сигнал, который ученые называют стохастическим гравитационно-волновым фоном.
В новом исследовании SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati - Международная школа перспективных исследований) в Триесте предлагается использовать массив интерферометров в космосе для обнаружения тонких флуктуаций в гравитационном фоновом сигнале. Эти колебания могут помочь отличить гравитационные волны от различных космических событий и раскрыть секреты слияния черных дыр.
Измерение флуктуаций фона
Исследователи убеждены, что в ближайшем будущем детекторы следующего поколения, такие как телескоп Эйнштейна и лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA), сделают возможным прямое измерение стохастического фона.
Однако измерение этих флуктуаций, или анизотропии, по-прежнему будет чрезвычайно сложным. Так, докторант Джулия Капурри из SISSA объясняет: "Их идентификация требует очень высокого уровня углового разрешения, которым не обладают нынешние и следующие поколения средств обнаружения".
Именно потому, что сигналы чрезвычайно малы и требуют очень чувствительного инструмента для их обнаружения, миссия ЕКА LISA была разработана с использованием лазерной интерферометрии. Проект включает в себя созвездие из трех космических аппаратов, расположенных в равностороннем треугольнике со сторонами длиной 2,5 миллиона километров, летящих по гелиоцентрической орбите, подобной земной. Расстояние между спутниками точно контролируется для обнаружения проходящей гравитационной волны.
Существуют также два предложения по созданию созвездий космических интерферометров:
- Европейский - Обсерватория Большого взрыва (BBO).
- Японская - Деци-герцовая интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (DECIGO).
К ним теперь добавляется предложенная SISSA.
Предлагаемый массив интерферометров
Капурри под руководством Карло Бачигалупи и Андреа Лапи предположила, что проблема стохастического обнаружения фона может быть решена с помощью группировки из трех или четырех космических интерферометров на солнечной орбите, покрывающих расстояние, приблизительно равное расстоянию между Землей и Солнцем.
По мере увеличения расстояния интерферометры достигают лучшего углового разрешения, что повышает их способность различать источники гравитационных волн. На практике будет гораздо проще анализировать ткань пространства-времени и обнаруживать ее пульсации.
Анизотропии содержат информацию, необходимую для понимания распределения источников гравитационных волн в больших космологических масштабах. Их обнаружение, анализ и картирование будет означать возможность отслеживать самые экстремальные события во Вселенной и проложит путь к новому пониманию ее в более широком масштабе.
Перспективы
Капурри и ее коллеги проверили, могут ли группировки интерферометров прощупать анизотропию стохастического фона гравитационных волн. Они рассмотрели фон, создаваемый двумя различными источниками: слиянием бинарных черных дыр и недавно предложенным сценарием образования массивных черных дыр путем множественных слияний звездных остатков.
Результаты показывают, что измерение углового спектра мощности стохастических фоновых анизотропий практически невозможно. Иными словами, для наших технологий практически невозможно достичь такой чувствительности, чтобы составить прямую карту анизотропии.
Однако, возможно, удастся прозондировать флуктуации через кросс-корреляцию с флуктуациями космического микроволнового фона, или космического микроволнового фона, также известного как "эхо Большого взрыва". Именно с этой точки зрения Капурри и ее коллеги разрабатывают свою идею интерферометрической группировки.
Это исследование является одной из первых работ, в которой даются конкретные прогнозы относительно размера стохастического фона гравитационных волн, который может быть измерен с помощью созвездия инструментов, вращающихся вокруг Солнца. С публикацией в журнале The Astrophysical Journal можно ознакомиться .