Nyligen har European Space Agency (ESA) officiellt godkänt det första experimentella projektet för att mäta gravitationsvågor i rymden. Projektet, kallat Laser Interferometric Space Antenna (LISA), kommer att upptäcka de massiva krusningarna i rymdtiden som utlöses av kosmiska händelser såsom sammanslagning av supermassiva svarta hål genom att analysera den exakta tidpunkten för utbredningen av en laserstråle över 2,5 miljoner kilometer inom solsystemet.
Europeiska rymdorganisationen meddelade den 25 januari att bygget av uppdraget för flera miljarder euro kommer att påbörjas 2025, med en uppskjutning 2035 planerad. "Uppdraget är mycket innovativt och kommer att öppna ett fönster på källorna till gravitationsvågor som bara LISA kan upptäcka", säger Valeriya Korol, astrofysiker vid Max Planck Institute for Astrophysics i Garsing, Tyskland, som är medlem i LISA-samarbetet. team.
Det som gör LISA unik jämfört med markbaserade detektorer är dess förmåga att detektera gravitationsvågor vid lägre frekvenser, vilket innebär att den kan kasta ljus över mycket större och mer avlägsna kosmiska fenomen, som svarta hål som kretsar runt varandra, som är mycket större i omfattning. och avstånd än de som först upptäcktes av det markbaserade Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) 2015.
LISA-projektet har varit under lång tid, minns Karsten Danzmann, chef för Max Planck Institute for Gravitational Physics i Hannover, Tyskland, och chef för LISA-konsortiet, som ursprungligen skrev förslaget till LISA för 31 år sedan. Experimentet syftar till att detektera gravitationsvågor genom att mäta avståndet (till närmaste biljondels meter) vid vilket en laser färdas mellan två masspunkter miljontals kilometer bort, med sådan precision att praktiskt taget ingenting annat än rumtiden i sig kan påverka rörelsen av massapoängen.Karsten Danzmann är säker på att projektet kommer att förverkligas och säger att "Först tyckte folk att idén var löjlig, men jag sa åt dem att bara ha tålamod."
LISA Mission Golden Triangle:Gravitationsvågdetektering i rymden
LISA-programmet kommer att bestå av tre enhetligt konfigurerade rymdfarkoster som kommer att kretsa runt solen i en liksidig triangelformation (Figur 1). Inuti varje rymdskepp finns en 4,6 cm lång flytande kub gjord av guld och platina. Genom att använda lasrar för att noggrant mäta de relativa avstånden mellan dessa kuber, kan LISA detektera subtila rumsliga och tidsmässiga variationer inducerade av gravitationsvågor med mycket hög precision (i storleksordningen pikometer, eller en miljarddels millimeter). Sådana förändringar produceras av den accelererade rörelsen av massiva föremål. Dessa fina mätningar gör det möjligt för LISA att lokalisera källan till gravitationsvågor, en enhet som Valeriya Korol beskriver som "ett instrument från science fiction".
Figur 1 Konceptuellt diagram av LISA-uppdragets rymdfarkost. Tre satelliter kommer att bilda en triangel i omloppsbana runt solen.
Karsten Danzmann påpekar att trots utmaningarna med att göra högprecisionsmätningar på sådana avstånd, är rymdmiljön mycket mer gynnsam för sådana experiment än marken. Frånvaron av vibrationer, atmosfäriska störningar och andra svängningar i rymden ger ett nästan perfekt vakuum för experiment. Teknikens komplexitet kräver dock att utrustningen är extremt tillförlitlig, eftersom den inte bara kan repareras på plats när den väl har lanserats.
LISA-projektet är utformat för att detektera gravitationsvågor vid våglängder mellan 300,000 kilometer och 3 miljarder kilometer, en räckvidd som fyller gapet mellan detektionsförmågan hos det markbaserade Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) och Pulsar Timing Array. Den kan detektera gravitationsvågor vid längre våglängder jämfört med LIGO och vid relativt kortare våglängder jämfört med Pulsar Timing Array. För närvarande bedriver Pulsar Timing Array forskning för att observera och studera gravitationsvågor i hela galaxen genom att använda några stjärnor som "fyrar", som sänder ut periodiska signaler som hjälper forskare att upptäcka längre våglängder av gravitationsvågor.
Utsikter för LISA och Global Collaboration on Gravitational Wave Detection
Karsten Danzmann påpekar att olika experiment observerar sina egna unika fenomen och ger kompletterande data, precis som radioteleskop och anordningar för synligt ljus gör. Tack vare sin stora storlek kommer LISA att kunna detektera gravitationsvågor från supermassiva svarta håls sammanslagningar, såväl som signaler som sänds ut tidigare i kollisionsfasen som upptäckts av LIGO.LISA förväntas också avslöja aldrig tidigare skådade kosmiska händelser, såsom vita dvärgkollisioner som är större än svarta hål och binära svarta hålssammanslagningar med ojämn massa.
Astronomer förväntar sig att experimentet ska upptäcka gravitationsvågbakgrundsljud som genereras i det tidiga universum, vilket förutsägs av teorin, och potentiellt fånga signaler som sänds ut av de tidigaste svarta hålen, sa Valeriya Korol.LISA förväntas hjälpa forskare att förstå mer exakt hur frekvensen av universums expansion har förändrats genom att mäta avstånden till källorna till de gravitationsvågor som det upptäcker.
Kina planerar också att lansera sina egna rymdgravitationsvågsdetektorer på 2030-talet, som kallas Space Gravitational Wave Detection "Taiji Program" och "Tianqin Program". Kinas rymdgravitationsvågdetekteringsprogram har fått hjälp av utvecklingen av LISA-projektet, vilket ökar möjligheten att genomföra det. Programmet för "Tianqin-programmet" är känt som det kinesiska programmet, och till skillnad från det europeiska LISA-programmet är dess mål att bygga ett rymdbaserat gravitationsvågsobservatorium runt 2035 genom att placera ut tre helsynkrona satelliter i geocentriska omloppsbanor på en höjd av cirka 100,000 kilometer, som utgör en liksidig triangulär konstellation med en sidolängd på cirka 170,000 kilometer "Tianqin", för att utföra rymddetektering av gravitationsvågor. "Taiji-planen" är i grunden densamma som den europeiska LISA-planen, i den heliocentriska omloppsbanan cirka 50 miljoner kilometer bort från jorden, skjuter upp tre helt liknande satelliter, den trestjärniga formationens omloppsbana med solen som centrum, designen av den interfererande armlängden, det vill säga satellitavståndet på 3 miljoner kilometer. Tianqin, LISA, Taiji tre planer, den förra är en geocentrisk omloppsbana program, de två senare är heliocentrisk omloppsbana program, behöver samma kärnteknologi, har också sina egna olika tekniska svårigheter, men rymdgravitationsvågen upptäckt har kompletterande. ESA:s godkännande av LISA-programmet markerar en viktig milstolpe i forskarvärlden.
