Od prawie 100 lat naukowcy szukają bezpośrednich dowodów na istnienie słabych fal fal grawitacyjnych w materiale czasoprzestrzeni przewidywanym w teorii ogólnej teorii względności Alberta Einsteinsa. Dzisiaj polowanie na fale grawitacyjne stało się ogólnoświatowym wysiłkiem z udziałem setek naukowców. W Europie, Stanach Zjednoczonych i Japonii opracowano wiele dużych naziemnych obiektów, ale najbardziej wyrafinowane poszukiwania wkrótce będą miały miejsce w kosmosie.
Przemawiając we wtorek 5 kwietnia podczas RAS National Astronomy Meeting w Birmingham, profesor Mike Cruise opowie o wspólnym projekcie ESA-NASA o nazwie LISA (Laser Interferometric Space Antenna). Planowany na start w 2012 roku, LISA będzie obejmować trzy statki kosmiczne latające w szyku wokół Słońca, co czyni go największym instrumentem naukowym, jaki kiedykolwiek został umieszczony na orbicie.
Oczekuje się, że LISA zapewni najlepszą szansę na sukces w poszukiwaniu ekscytujących fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości, powiedział profesor Cruise. Jednak misja jest jednym z najbardziej złożonych, technologicznych wyzwań, jakie kiedykolwiek podjęto. Zgodnie z teorią Einsteinsa fale grawitacyjne są powodowane ruchem dużych mas (np. Gwiazd neutronowych lub czarnych dziur) we Wszechświecie. Oddziaływanie grawitacyjne między odległymi obiektami zmienia się w miarę przemieszczania się mas, w taki sam sposób, w jaki poruszające się ładunki elektryczne wytwarzają fale elektromagnetyczne, które odbiorniki radiowe i telewizory mogą wykryć.
W przypadku bardzo lekkiej cząstki atomowej, takiej jak elektron, ruch może być bardzo szybki, więc generowanie fal o szerokim zakresie częstotliwości, w tym efektów, które nazywamy światłem i promieniami rentgenowskimi. Ponieważ obiekty generujące fale grawitacyjne są znacznie większe i masywniejsze niż elektrony, naukowcy spodziewają się wykryć fale o znacznie niższej częstotliwości w okresach od ułamków sekundy do kilku godzin.
Fale są naprawdę bardzo słabe. Ujawniają się one jako naprzemienne rozciąganie i kurczenie się odległości między masami testowymi, które są zawieszone w sposób umożliwiający im ruch. Gdyby dwie takie masy testowe znajdowały się w odległości jednego metra od siebie, wówczas fale grawitacyjne poszukiwanej siły zmieniłyby ich separację tylko o 10e-22 metra, czyli o jedną dziesiątą milionowej części milionowej części milionowej części metra.
Ta zmiana separacji jest tak mała, że zapobieganie zakłóceniu mas testowych przez efekt grawitacyjny obiektów lokalnych oraz hałas sejsmiczny lub drżenie samej Ziemi, to prawdziwy problem ograniczający czułość detektorów. Ponieważ każdy metr długości w odległości między masami testowymi powoduje osobno wzrost poszukiwanych drobnych zmian, zwiększenie długości odstępu między masami powoduje większą ogólną zmianę, którą można wykryć. W rezultacie detektory fal grawitacyjnych są tak duże, jak to możliwe.
Obecne naziemne detektory pokrywają odległości kilku kilometrów i powinny być w stanie zmierzyć milisekundowe okresy szybko rotujących obiektów, takich jak gwiazdy neutronowe pozostałe po wybuchach gwiazdowych, lub zderzenia między obiektami w naszej lokalnej galaktycznej okolicy. Istnieje jednak duże zainteresowanie budowaniem detektorów w poszukiwaniu kolizji między masywnymi czarnymi dziurami, które mają miejsce podczas łączenia się kompletnych galaktyk. Te gwałtowne zdarzenia generowałyby sygnały o bardzo niskich częstotliwościach - zbyt niskich, aby można je było zaobserwować ponad przypadkowym hałasem sejsmicznym Ziemi.
Odpowiedzią jest odejście w kosmos, z dala od takich zakłóceń. W przypadku LISA trzy statki kosmiczne będą latać w szyku, w odległości 5 milionów kilometrów. Wiązki laserowe przemieszczające się między nimi będą mierzyć zmiany w separacji spowodowane falami grawitacyjnymi z dokładnością około 10 pikometrów (sto tysięcznych części milionowej metra). Ponieważ masy testowe na każdym statku kosmicznym będą musiały być chronione przed różnymi zakłóceniami powodowanymi przez naładowane cząstki w kosmosie, muszą one być umieszczone w komorze próżniowej w statku kosmicznym. Wymagana precyzja jest 1000 razy bardziej wymagająca niż kiedykolwiek wcześniej w kosmosie, dlatego ESA przygotowuje lot testowy laserowego systemu pomiarowego w misji o nazwie LISA Pathfinder, która ma się rozpocząć w 2008 roku.
Naukowcy z University of Birmingham, University of Glasgow i Imperial College London przygotowują obecnie oprzyrządowanie do LISA Pathfinder we współpracy z ESA i kolegami z Niemiec, Włoch, Holandii, Francji, Hiszpanii i Szwajcarii. Gdy LISA działa na orbicie, spodziewamy się obserwować Wszechświat przez nowe okno oferowane przez fale grawitacyjne, powiedział Cruise. Oprócz gwiazd neutronowych i masywnych czarnych dziur możemy być w stanie wykryć echa Wielkiego Wybuchu z fal grawitacyjnych emitujących maleńkie ułamki sekundy po wydarzeniu, które zapoczątkowało nasz Wszechświat podczas jego obecnej ewolucji.
Oryginalne źródło: RAS News Release
