Ученые обращаются к луне, чтобы поймать самую слабую музыку космического дня

Греческий философ Пифагор объяснил вселенную, используя «музыку сфер», сферы, на которых небесные объекты перемещались в созвучих с математическими гармониями, чтобы создать своего рода космическую симфонию.

Сегодня астрономы обращаются к этой эфирной «музыке» каждый раз, когда они подслушивают вселенную, используя Радиотелескопы раскрыть его загадки. Бас -гул, который они слышат, представляет собой смесь электромагнитных сигнатур самых колоссальных объектов во вселенной – Нейтронные звезды (чрезвычайно плотные остатки массивных звезд, которые взорвались), пульсары (быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые излучают лучи электромагнитного излучения из их магнитных полюсов) и Черные дырыПолем

Возможно, наиболее значимыми нотами в этом посреднике являются гравитационные волны, тонкие морщины в непрерывном континууме, вызванном резким движением массивных объектов, как в катастрофических событиях, таких как слияние черных дыр или сталкивающиеся нейтронные звезды, изгибающие пространство и время. Эти колебания распространяются в виде волн со скоростью света, и их низкий грохот можно поднять с помощью гравитационных волновых детекторов, которые измеряют, как волны растягиваются и сжимают пространство между объектами, с которыми они сталкиваются.

Деформация пространства -времени

Любопытно, что гравитационные волны являются мощными только на больших космических масштабах. На более мелких масштабах они чрезвычайно слабы – настолько слабые, что они способны изменить расстояние между землей и луной менее чем на диаметр атома! И чем дальше эти волны путешествуют, тем слабее они становятся, так что к тому времени, когда они достигают земли, их почти невозможно измерить.

Астрономы строят специальные инструменты, называемые интерферометрами, которые используют лазерный свет для обнаружения гравитационных волн. Например, у лазерного интерферометра гравитационная волна обсерватория (LIGO) в США имеет два L-образные детекторы, один в Луизиане и другой в Вашингтоне. Каждый детектор имеет пару рук длиной 4 км. Когда лазерный луч отправляется этими руками, он отражается обратно зеркалами; Любая задержка в отражении указывает на то, что на свет влияет гравитационные волны.

В 1916 году общая теория относительности Альберта Эйнштейна сделала два прогноза. Одним из них были звезды и галактики из -за их массы, изгибая свет, когда они деформируют пространство -время в явлении, называемом гравитационным линзом. Это было экспериментально доказано в 1919 году. Вторым прогнозом было существование гравитационных волн, которое подробно обсуждалось в последние десятилетия, которые последовали за тем, как ученые задавались вопросом, были ли это просто математические конструкции, лишенные физической реальности. Фактически, сам Эйнштейн кратко поставил под сомнение их существование в 1937 году, предположив, что они могут быть теоретическими артефактами и не совсем то, что он думал изначально.

Во всяком случае, астрономам пришлось ждать до 2015 года, прежде чем гравитационные волны были подняты впервые, когда детекторы LIGO в США зарегистрировали сигналы, исходящие от двух сталкивающихся черных дыр в 1,3 миллиарда световых лет. Внезапно космологи, которые могли до этого изучать вселенную только с помощью электромагнитных волн или частиц, имели инструмент, с которым можно было бы наблюдать за деформацией пространства -времени, которое Эйнштейн предсказал столетие назад.

‘Космикра’

Чтобы обнаружить гравитационные волны, детектор должен быть изолирован от всех вибраций, которые потенциально могут скрыть неуловимые сигналы. Таким образом, даже лучшие обсерватории гравитационных волн в мире-два детектора лиго в США, GEO600 в Германии, Дева в Италии и Кагра в Японии-могут только обнаружить гравитационные волны от вспышек в течение 7 миллиардов световых лет от Земли.

Это может измениться, так как космологи с нетерпением ждут открытия нового окна на гравитационном небе на Луне. Исследователи из Lunar Labs Vanderbilt в США планируют установить детектор гравитационной волны, называемый лазерной интерферометровой лунной антенной (LILA), на лунной поверхности. LILA будет изучать гравитационные волны на субэрцевых частотах, которые не могут наблюдаться наземными детекторами.

Полярные полярные регионы Луны предлагают идеальные условия для регистрации гравитационных волн.

«Гравитация – космический тряпичныйИ Луна позволяет нам услышать заметки, которые мы не можем услышать от какого -либо другого места в этой солнечной системе », – сказал Каран Яни, директор инициативы Lunar Labs Vanderbilt и профессор физики и астрономии, электрической и компьютерной инженерии, а также в связи с наукой и техникой в Университете Вандербильта.

«Сейсмический шум (на Луне) намного ниже, чем на Земле, и естественный вакуум находится прямо над поверхностью, что означает, что для построения детектора на Луне требуется гораздо меньшее количество инфраструктуры».

Набор Луны

Доктор Яни, который возглавляет Международный консорциум, который строит Лилу, объяснил проект по электронной почте.

«Первый этап, Lila Pioneer, может быть построен в течение этого десятилетия с нынешними Lunar Landers от американских компаний, таких как Blue Origin и Intuitive Machines, и из индийской программы Чандраяна. Следующий этап, Lila Horizon, потребует астронавтов на поверхности лунного развертывания».

Ученые играли с идеей детектора гравитационной волны на луне с 1960-х годов, когда миссии Аполлона и два роботизированных советских космических корабля поставили пять ретро-рефлекторов на лунную поверхность, чтобы отразить свет обратно на Землю. Измеряя время времени, чтобы пройти между Луной и Землей, и, зная скорость света, ученые смогли рассчитать расстояние на землю-лун с большой точностью.

Такие точные данные побудили некоторых астрономов поверить, что сама система Земля-Муна может быть потенциальным естественным гравитационным детектором волн, поскольку гравитационные волны постоянно промываются над системой двух тел, генерируя небольшие отклонения на орбите луны, которые можно отслеживать.

«Примерно каждые 15 минут гравитационная волна от столкновения двух черных отверстий простирается через землю, луну и даже солнце», – сказал доктор Яни. «Влияние на орбиты этих тел настолько крошечное, что для практических целей это не существует. Но что научно интересно, так это то, что луна может резонировать с некоторыми из этих входящих волн, что открывает новое окно для спектра гравитационной волны».

Неизвестная земля

Наземные обсерватории имеют основной гандикап, поскольку они обладают лишь ограниченным диапазоном обнаружения. Они чувствительны к гравитационным волнам в пределах от 100 до 1000 герц, которая оставляет более широкий спектр гравитационной волны неисследованным. Другие пространственные интерферометры, такие как пространственная антенна лазерного интерферометра (LISA), запланированная на запуск в 2030-х годах, могут исправить это в определенной степени, поскольку они могут быть достаточно большими, чтобы быть чувствительными к сигналам на очень низких частотах.

Лиза состоит из трех спутников в треугольной формировании, которые будут следить за землей, когда планета вращает солнце. Спутники будут следить за своим относительным разделением с использованием лазеров и ощущают изменения, вызванные прохождением гравитационных волн, чтобы их можно было измерить на более низких частотах. С длиной руки почти в миллион раз больше, чем у Лиго, Лиза сможет записать сигналы в диапазоне от 0,1 миллиерца до 0,1 герца.

Поиск гравитационных волн на других частотах включает в себя крупнейшие в мире массивы радиосвязи, квадратный километровый массив (SKA), расположенный в Австралии и Южной Африке, который сканирует диапазон частот нанохерца и детекторы лиго в диапазоне Centihertz частот. Но реальная проблема для ученых состоит в том, чтобы исследовать диапазон частот гравитационной волны Decihertz, который находится между более высокой (10-1000 Гц) полосой наземных обсерваторий и нижней полосой 0,1 МГц-1 Гц LISA.

«Астрономия гравитационной волны Decihertz – это новая граница, которая потенциально откроется в ближайшие два десятилетия», – сказал Аджит Парамесваран из Международного центра теоретических наук, Бангалуру. «Помимо Лилы, есть много предложений о детекторах гравитационных волн Децихерца», – написал он в электронном письме.

«К ним относятся японская космическая интерферометр Deci-Hertz Gravitational Wave Saving (Decigo), инициатива по детектору космического детектора Tiango, и антенна лунной гравитационной волны (LGWA)».

Край времени и пространства

Доктор Парамесваран также сказал, что индийские ученые работают над собственной собственной концепцией детектора децихерца. Инициатива Индии в области гравитационных волн (индиго) представляет собой дорожную карту для построения усовершенствованной обсерватории по гравитационной волне, Лиго-Индия, в районе Хинголи в Махараштре. По завершении в 2030 году он присоединится к глобальной сети LIGO и, как ожидается, даст большой повышение астрономии гравитационной волны в стране.

«Не существует известной технологии, которая бы может получить доступ к гравитационным волнам Decihertz с земли или в глубоком космосе, за исключением строительства детектора на Луне», – сказал доктор Яни. «Гравитационные волны приходят к нам, как ноты из различных космических классифицироватькаждый на разных шагах. Ска заберет самые глубокие басовые ноты: медленные движения массивных черных дыр. Лиго в Индии и во всем мире слушает высокие ноты: резкие взрывы от сталкивающихся звезд. А обсерватории гравитационных волн Decihertz, такие как Лила, принесут пропущенные ноты между ними, так что впервые человечество может услышать полную космическую симфонию ».

Астрономия гравитационной волны все еще находится в зачаточном состоянии, но она быстро растет и обещает беспрецедентную информацию о тайнах космоса. Нажав весь спектр гравитационных волн, астрономы могут вернуться к самому краю времени и пространства. Например, диапазон Decihertz может помочь в изучении черных отверстий промежуточной массы, которые, как полагают, являются строительными блоками супермассивных черных дыр, обнаруженных в центрах галактик.

Ученые даже могут использовать всю галактику Млечного Пути в качестве огромного гравитационного детектора волны, контролируя пульсары. Когда гравитационные волны простираются через галактику, они изменяют расстояние земли-пульсар и, вместе с ним, частоты пульсар. Если астрономы смогут настроиться на эти мельчайшие частоты, они смогут «слушать» гравитационные волны от ранней вселенной, рассказывающей историю о его рождении и эволюции.

Пракаш Чандра – писатель -науки.