За последние годы астрономия гравитационных волн сделала огромный шаг вперёд. Наземные обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA научились «слышать» слияния чёрных дыр и нейтронных звёзд, а пульсарные тайминговые массивы зафиксировали намёки на фоновый гул Вселенной на сверхнизких частотах. В ближайшем будущем к ним присоединится космическая миссия LISA, чувствительная к миллигерцовым волнам.
Однако между этими диапазонами остаётся почти незаполненное «частотное окно» — от сотых долей до единиц герца. Именно здесь, в децигерцовом диапазоне, скрывается множество астрофизических и космологических сигналов. Документ, подготовленный по итогам международного воркшопа deci-Hz Gravitational Wave Observations on the Moon and Beyond, посвящён тому, как и зачем учёные собираются открыть это окно.
Что можно услышать на частотах 0,01–1 Гц
В децигерцовом диапазоне находятся сигналы от самых разных источников. Это слияния чёрных дыр промежуточной массы, двойные нейтронные звёзды за месяцы и годы до финального столкновения, пары белых карликов, а также экзотические процессы ранней Вселенной. Многие из этих событий либо полностью недоступны наземным детекторам, либо видны лишь в последние секунды перед слиянием.
Наблюдения на децигерцовых частотах позволят заранее обнаруживать будущие катастрофические события и точно предсказывать момент их кульминации. Это открывает дорогу к настоящей многоканальной астрономии, когда телескопы по всему миру заранее наводятся на нужный участок неба.
Почему Земля мешает слушать Вселенную
Главная проблема наземных гравитационно-волновых детекторов — шум. Ниже примерно 1 герца измерения становятся невозможны из-за так называемого ньютоновского шума: колебаний гравитационного поля, вызванных движением масс в земной коре и атмосфере. Ни улучшенная изоляция, ни уход под землю не способны полностью решить эту проблему.
Поэтому учёные всё чаще смотрят за пределы Земли — в космос и даже на Луну.
Луна как гравитационно-волновая антенна
Одно из обсуждаемых направлений — размещение детекторов на Луне. Лунная поверхность значительно тише земной: здесь нет океанов, атмосферы и тектонической активности. Кроме того, сама Луна может выступать в роли гигантского резонатора, колебания которого возбуждаются проходящими гравитационными волнами.
На воркшопе обсуждались концепции лунных сейсмометрических детекторов, таких как LGWA и LILA. Они могут обеспечить чувствительность в децигерцовом диапазоне и дополнить космические миссии, работая как независимый наблюдательный канал.
Космические интерферометры нового поколения
Другой путь — развитие космических лазерных интерферометров. В отличие от LISA, такие миссии будут иметь меньшие размеры, но повышенные требования к точности измерений. Среди обсуждаемых проектов — японская концепция DECIGO и инициативы в рамках программы GW-Space 2050 Европейского космического агентства.
Космический детектор в децигерцовом диапазоне сможет связать данные LISA и будущих наземных обсерваторий, таких как Cosmic Explorer и Einstein Telescope, в единую картину. Это позволит прослеживать эволюцию систем чёрных дыр и нейтронных звёзд на протяжении миллионов оборотов.
Что это даст астрономии и космологии
Открытие децигерцового диапазона радикально расширит возможности гравитационно-волновой астрономии. Учёные смогут изучать происхождение чёрных дыр промежуточной массы, проверять общую теорию относительности в новых режимах и искать следы процессов, происходивших в ранней Вселенной.
Кроме того, такие наблюдения улучшат точность измерений космологических параметров и помогут разобраться в природе так называемых «тёмных сирен» — гравитационных источников без видимого электромагнитного сигнала.
Взгляд в будущее
Документ подчёркивает, что децигерцовые детекторы не заменят существующие обсерватории, а дополнят их. Речь идёт о создании многочастотной сети, охватывающей диапазон от наногерц до килогерц. Именно такой подход позволит получить максимально полную картину гравитационно-волновой Вселенной.
Луна, космос и новые технологии измерений могут стать ключом к следующему этапу исследований. И если планы, обсуждаемые сегодня, будут реализованы, уже в середине XXI века астрономы услышат те «голоса» Вселенной, которые сейчас остаются за пределами наших возможностей.
Источники:
Статья создана по материалам работы на arXiv.org
