Почему на Луне обязательно нужно построить детектор гравитационных волн

Большая часть астрономии занимается регистрацией электромагнитного излучения. Чем лучше мы его улавливаем, тем больше мы узнаем о природе Вселенной. Вот почему такие телескопы, как Хаббл и JWST, находятся в космосе. Атмосфера Земли искажает изображения и даже блокирует определенные длины волн, например, инфракрасное излучение или рентгеновское. Космические телескопы решают обе эти проблемы, и они произвели революцию в астрономии.

Гравитационные волны — это не излучение. Их регистрация требует чрезвычайной чувствительности детектора. Точно так же, как атмосфера Земли вносит «шум» в наблюдения телескопа, сейсмическая активность Земли создает проблемы для детекторов гравитационных волн. Луна имеет большое преимущество перед нашей динамичной, постоянно меняющейся планетой: на ней гораздо меньше сейсмической активности.

Еще со времен полетов Аполлонов мы знаем, что на Луне есть сейсмическая активность. Но в отличие от Земли, большая часть этой активности связана с приливными силами и ударами небольших метеоритов. Большая часть сейсмической активности Луны слабее, чем на Земле. Это привлекло внимание исследователей, разрабатывающих Лунную гравитационно-волновую антенну (LGWA).

Разработчики LGWA написали новую статью «Лунная гравитационно-волновая антенна: исследования миссии и научный пример» и разместили ее на сервере препринтов arXiv.

«Учитывая размер Луны и ожидаемый шум, создаваемый лунным сейсмическим фоном, LGWA сможет наблюдать гравитационные волны (GW) в диапазоне от 1 МГц до 1 Гц», — пишут авторы. «Это сделало бы LGWA недостающим звеном между космическими детекторами, такими как LISA с пиковой чувствительностью около нескольких миллигерц, и будущими наземными детекторами, такими как телескоп Эйнштейна или Cosmic Explorer».

Если LGWA будет построен, он будет состоять из массива детекторов планетарного масштаба. Уникальные условия Луны позволят LGWA открыть более широкое окно в науку о гравитационных волнах. Луна имеет чрезвычайно низкую фоновую сейсмическую активность, которую авторы описывают как «сейсмическую тишину».

Луна также имеет чрезвычайно низкие температуры внутри своих постоянно затененных областей (PSR). Детекторы должны быть переохлаждены, а низкие температуры в PSR облегчают эту задачу. LGWA будет состоять из четырех детекторов в кратере PSR на одном из полюсов Луны.

LGWA в сочетании с телескопами, наблюдающими во всем электромагнитном спектре, а также с детекторами нейтрино и космических лучей может улучшить наше понимание целого ряда космических событий.

LGWA будет обладать уникальными возможностями по обнаружению космических взрывов. «Только LGWA может наблюдать астрофизические события, в которых участвуют WD (белые карлики), такие как события приливного разрушения (TDE) и сверхновые (SNe Ia)», — объясняют авторы. Они также отмечают, что только LGWA сможет предупредить астрономов за недели или даже месяцы о слиянии компактных двойных систем солнечной массы, включая нейтронные звезды.

LGWA сможет обнаруживать более легкие двойные черные дыры промежуточной массы (IMBH) в ранней Вселенной. IMBH сыграли важную роль в формировании сегодняшних сверхмассивных черных дыр (SMBH) в сердце галактик, подобных нашей. У астрофизиков есть много вопросов о черных дырах и о том, как они развивались, и LGWA должна помочь ответить на некоторые из них.

Слияние двойных белых карликов (DWD) за пределами нашей галактики — это еще одна вещь, которую сможет почувствовать только LGWA. Их можно использовать для измерения постоянной Хаббла (скорость расширения Вселенной). За прошедшие десятилетия ученые получили более точные измерения постоянной Хаббла, но расхождения все еще существуют.

LGWA расскажет нам и о Луне. Его сейсмические наблюдения раскроют внутреннюю структуру Луны более подробно, чем когда-либо. Ученые до сих пор многого не знают о формировании, истории и эволюции нашего спутника. Сейсмические наблюдения LGWA смогут измерить геологические процессы на Луне.

Миссия LGWA еще находится в стадии разработки. Прежде чем ее можно будет реализовать, ученым необходимо знать больше о том, где они планируют разместить детектор. Вот тут-то и пригодится предварительная миссия Soundcheck.

В 2023 году ESA включило Soundcheck в свой резервный фонд научной деятельности на Луне. Soundcheck будет не только измерять сейсмическое смещение поверхности, магнитные колебания и температуру, но и станет миссией по демонстрации технологий. «Проверка технологии Soundcheck сосредоточена на развертывании, механике и считывании инерционных датчиков, управлении температурой и выравнивании платформы», — объясняют авторы.

В астрономии, астрофизике, космологии и связанных с ними научных исследованиях всегда кажется, что мы находимся на пороге новых открытий и нового понимания Вселенной и того, как мы вписываемся в нее. Причина, по которой так всегда кажется, заключается в том, что это правда. Люди узнают все больше и больше, и появление и расцвет науки о GW является примером этого, хотя мы только начинаем. Не прошло и десяти лет с тех пор, как ученые обнаружили свою первую гравитационную волну.

«Несмотря на эту хорошо разработанную дорожную карту для науки о GW, важно понимать, что исследование нашей Вселенной с помощью GW все еще находится в зачаточном состоянии», — пишут авторы в своей статье. «Помимо ожидаемого огромного влияния на астрофизику и космологию, эта область таит в себе высокую вероятность неожиданных и фундаментальных открытий».