Новая эра в астрономии

Четыре года назад ученые объявили об открытии гравитационных волн, предсказанных Эйнштейном еще в 1916 году. В сентябре 2015 два наземных детектора-близнеца LIGO подтвердили их существование экспериментально.  Полученные результаты стали подтверждением общей теории относительности и открыли новую эру в астрономии. Теперь ученые смогут изучить сверхмассивные черные дыры, двойные звездные системы в нашей галактике и, возможно, даже разобраться в происхождении Вселенной.  

Однако такие амбициозные цели требуют нового подхода. Нам уже не обойтись наземными лазерными интерферометрами по типу LIGO и строящейся в Японии обсерватории KAGRA: необходимо вывести исследовательскую систему в космос. Разработка совместного проекта Европейского космического агентства (ESA) и NASA под названием LISA ведется с 90-х годов и сейчас вошла в новую стадию.

 

 

Над LISA начали работать задолго до открытия гравитационных волн. Получается, ученые были уверены, что их детектируют. Почему раньше появилась LIGO, а не LISA?

С самого начала было известно, что у проекта, в отличие от LIGO, есть гарантированные гравитационно-волновые источники. Это двойные белые карлики, которые мы наблюдаем в электромагнитном излучении. Мы знаем период системы, приблизительную массу и другие параметры, поэтому можем оценить гравитационно-волновой сигнал. В этой уверенности заключалась сила LISA, но была и слабость: проект такого рода никогда не реализовывался ранее, поэтому космические агентства боялись над ним работать. LISA представляет собой три взаимосвязанных спутника, которые движутся по большой орбите вокруг Солнца и обмениваются лазерным излучением. Это масштабная миссия класса L стоимостью порядка 1,5 млрд евро. Задержки в реализации LISA связаны с тем, что EKA потребовало демонстрацию готовности технологий. Пару лет назад был запущен спутник LISA Pathfinder, который с блеском смог продемонстрировать такую готовность.

LIGO дешевле и проще в реализации, поэтому он был запущен в работу раньше и стал успешным. Но у наземных гравитационно-волновых обсерваторий есть свои ограничения. Они появляются из-за фундаментального ограничения на низких частотах — сейсмических шумов.

 

 

LISA свободна от этих ограничений?
Да, за счет конструкции и работы в космосе у нее появляются преимущества. По сравнению с LIGO, которая «ловит» частоты от 10 до 1000 Герц, LISA работает в низкочастотном диапазоне от 0,1 миллигерц до 0,1 герц. За счет этого она может зарегистрировать волны от очень тяжелых долгоживущих объектов, находящихся на широких орбитах. При этом в LIGO сигналы живут очень короткое время, от минут до миллисекунд, и их мало. В прошлый раз в среднем удавалось поймать один сигнал за несколько месяцев. Подключившись же в любое время к LISA, мы будем видеть большое количество сигналов. Это позволит нам детектировать многие источники гравитационных волн, например, сверхмассивные черные дыры.

 

Наверняка в реализации LISA есть и сложности?

Разница между космическим и земным проектом в том, что все должно быть готово еще до запуска. Я имею в виду не только технологии, но и данные: мы должны заранее знать, как обрабатывать полученную информацию. Группа LISA Data Challenge, которой я руковожу, как раз занимается этой задачей. Мы знаем, что будет представлять собой прибор и как в нем будут соединены составные части, поэтому можем предположить, какие данные придут со спутников. Дальше берем у астрофизиков информацию об источниках и моделируем упрощенные данные, которые увидит LISA: шумы, проблемы и гравитационно-волновые сигналы.

В этом направлении себя может попробовать каждый желающий: данные находятся в свободном доступе, необходимо только зарегистрироваться. Их можно скачать и попытаться самостоятельно «вытащить» гравитационно-волновой сигнал. Из этого можно сделать интересный дипломный проект, а мы будем рады внедрить придуманные участниками способы обработки.

 

Какие источники гравитационных волн ожидают увидеть ученые? Что сможет «разглядеть» LISA?

В первую очередь LISA позволит изучать сверхмассивные черные дыры, обнаруживая десятки слияний таких объектов в год. Мы также ожидаем, что она сможет увидеть падение маленького объекта типа маленькой черной дыры или нейтронной звезды в большую, двойные белые карлики в нашей галактике и даже шум от ранней Вселенной. Из более экзотического — космические струны.

При этом LISA сможет увидеть прошлое черных дыр, которые увидит приемник LIGO. Если посмотреть на эти же черные дыры на 10–15 лет назад, то получится гравитационно-волновой сигнал, попадающий в частоту LISA.

 

Как отличить, что сигнал исходит именно от черных дыр, а не от двойных белых карликов, например?

Мы знаем тип сигнала для каждого объекта и можем найти его в полученных данных. Сложнее определить параметры: например, какие массы были у черных дыр и белых карликов, как именно они вращаются и так далее. Сложность в определении параметров еще состоит в так называемой «cocktail party problem», когда множество сигналов сливается вместе и из «каши» необходимо выделить как можно больше. Правда громкий сигнал, как и громкий голос, легко определить. Например, самый громкий «голос» у массивных черных дыр.

 

А можем ли мы встретить какой-то неожиданный сигнал?

Пожалуй, всегда есть место неожиданности, даже если ты пытаешься моделировать сигнал и вытащишь именно такой сигнал из данных наблюдений. Кто знает? Все-таки мы делаем это в первый раз, так что вполне можем найти то, чего не ожидали. Мы будем проводить поиск, который не опирается на модель определенного сигнала, и искать сигналы, тяжело отделяемые от инструментальных проблем.

В массиве данных, полученных миссией LISA Pathfinder, были так называемые глитчи — импульсные шумовые помехи. Они представляют собой сильные короткоживущие сигналы, которые случились в инструменте. Поскольку мы не знаем, где именно, то не можем их убрать или как-то оценить. Зачастую причина короткоживущих всплесков в LIGO и в LISA неизвестна. Нам предстоит научиться отделять гравитационные волны похожего типа от помех. LIGO работает над этой проблемой, и я подробно слежу за разработкой решения, чтобы попытаться применить его к LISA.

Чем еще могут быть полезны гравитационные волны?

Гравитационные волны станут инструментом в изучении космоса. В этом смысле ученые часто проводят аналогию с кино. Например, можно смотреть фильм и по картинкам догадываться, что там происходит, но если нет звука, это довольно тяжело. Электромагнитная астрономия дает нам то, что мы видим, а гравитационные волны дадут нам «звук».

Эта аналогия отчасти возникла, потому что гравитационные волны очень часто возникают там, где мало света. Свету тяжело: он рассеивается и поглощается. С гравитационными волнами этого почти не происходит, поэтому мы видим источник таким, каким он был очень давно. Например, LIGO видит слияние черных дыр, астрономы направляют телескоп в ту область неба, но там ничего нет. Так и должно быть: черные дыры — это вакуум.  Чтобы получить электромагнитный сигнал, нужен газ, причем в немалых количествах. Дополнительную информацию из центральных областей галактик дадут только гравитационные волны, электромагнитной астрономии не хватает разрешения и чувствительности. Мы считаем, что в ядрах галактик есть большие плотности, «кладбища» звезд, о которых нам сможет рассказать гравитационно-волновой подход.

К тому же гравитационные волны можно видеть во времени и пространстве чуть ли не с начала образования галактик, поэтому мы сможем проверить предсказания различных теорий гравитации и космологии.

 

Как ученый может попасть в такой крупный и значимый проект? Расскажите про ваш путь.

В консорциум LISA может войти кто угодно. У проекта есть рабочие пакеты — вопросы, на которые нужно ответить. Если у исследователя на один из них возникнет реакция «о, это интересно, я могу здесь сделать вклад», то можно написать заявление, идентифицировать свою деятельность и войти в проект. Никаких ограничений нет, российские ученые тоже могут это сделать.

Я занимаюсь LISA с 2005 года. Тогда она представляла собой действительно большой проект Eвропейского космического агентства и NASA и была намного амбициознее. Мне очень понравилась проблема вращения маленькой черной дыры вокруг большой, и я начал ей заниматься из интереса, хотя моя основная задача была связана с LIGO. Потом меня вызвал шеф, директор Albert Einstein Institute, профессор Бернард Шутц и спросил: «Хочешь LISA заниматься?» На тот момент мне LIGO очень надоела, и я с удовольствием согласился. То есть я начал заниматься LISA самостоятельно, а потом мой шеф меня официально воткнул в этот проект. Я ему за это благодарен, потому что проект действительно очень интересен с точки зрения физики и астрофизики. Даже обработка данных там мне нравится. Сейчас я пытаюсь находить общие задачи по LIGO и LISA. Это помогает сохранить время, иначе очень тяжело.

 

Какие есть направления и рабочие группы в проекте LISA?

У LISA есть три основных группы. Инструментальная занимается оборудованием проекта. Вторая группа занимается обработкой данных, которые приходят со спутников на большой телескоп в ESA, и создает каталог источников. Третья — в большей степени научная группа — занимается моделированием гравитационно-волновых источников и разработкой методов обработки данных. В ней преобладает исследовательская работа: что лучше, что хуже, что мы можем вытащить из сигналов, какие сигналы можем вытащить, какие сигналы ожидаем. Она разделена на три рабочие подгруппы. Астрофизическая команда пытается понять, какие источники могут быть, насколько часто, какие у них могут быть параметры, что из этих данных можно вытащить и сказать про астрофизические модели. Подгруппа фундаментальной физики занимается проверкой общей теории относительности и всей экзотикой, которая возможна. Третья подгруппа — это LISA data challenge, о которой я уже упоминал. Так что спектр вопросов действительно большой, и каждый сможет найти для себя интересную задачу.

Официальный запуск LISA запланирован на 2034 год, но ученые надеются, что это произойдет немного раньше. Изучение гравитационных волн с ее помощью даст огромный потенциал для обнаружения объектов, невидимых другими средствами, а также дополнит наши знания о рождении, эволюции и структуре Вселенной. Нам же остается только терпеливо ждать новых открытий.