Телескоп Эйнштейна может начать новую эру в астрономии

Важные новости

Телескоп Эйнштейна может запустить новый эра в астрономии

Телескоп Эйнштейна строится на глубине 250 метров под землей. С помощью интерферометров в трех туннелях длиной по десять километров каждый он будет измерять столкновения черных дыр в ранней Вселенной. Фото: НИКХЕФ

Это пока только план, но вскоре новый телескоп сможет измерять гравитационные волны. Гравитационные волны — это что-то вроде звуковых волн Вселенной. Они создаются, например, при столкновении черных дыр или нейтронных звезд.

Будущий детектор гравитационных волн, телескоп Эйнштейна, будет использовать новейшие лазерные технологии, чтобы лучше понять эти волны и, таким образом, нашу вселенную. Одним из возможных мест для строительства этого телескопа является пограничный треугольник Германии, Бельгии и Нидерландов.

Как вселенная производит золото

Лето 2017 года стало чрезвычайно волнующим днем ​​для астрономов: 17 августа три детектора гравитационных волн зарегистрировали новый сигнал. Сотни телескопов по всему миру были немедленно направлены на предполагаемую точку происхождения, и там действительно было замечено светящееся небесное тело. Впервые столкновение двух нейтронных звезд было обнаружено как оптически, так и в виде гравитационной волны.

Нейтронные звезды — это нечто совершенно особенное во Вселенной: это сгоревшие звезды, которые больше не излучают видимого света. радиация. Они весят немного больше нашего Солнца, но сжимают свою массу в сферу диаметром менее 20 км. Сила их столкновения настолько велика, что атомные ядра разрываются, выбрасываются гигантские количества массы и могут образовываться тяжелые атомы, такие как золото.

«По сравнению с массой нейтронных звезд, золота создается не так уж и много — всего несколько лунных масс», — с усмешкой объясняет профессор Ахим Шталь, астрофизик из RWTH Ахенского университета.

«Но исследователи почти уверены, что большая часть золота во Вселенной была создана в результате таких гигантских взрывов». Поэтому золотое кольцо, которое мы носим на пальце, уже прошло галактическую историю.

Детекторы гравитационных волн открывают новую главу в астрономии

Благодаря детекторам гравитационных волн мы уже знаем больше о столкновениях нейтронных звезд. По галактическим меркам это очень быстрые процессы. Раньше, если нам очень везло, мы могли регистрировать гамма-всплески длительностью менее секунды. Когда черные дыры сталкиваются, сигнал, который можно измерить современными детекторами гравитационных волн, очень короткий.

Сигнал первой гравитационной волны, измеренный в 2015 году, имел длину чуть более 0,2 секунды. Такие волны создаются, когда сверхтяжелые объекты вращаются вокруг друг друга во Вселенной, а затем сталкиваются.

Сигнал, обнаруженный летом 2017 года, имел продолжительность 100 секунд, поэтому сразу стало ясно, что это должно быть что-то новое. Вскоре после прекращения гравитационного сигнала был зафиксирован гамма-всплеск; позже послесвечение взрыва наблюдалось в различных диапазонах длин волн, а также были обнаружены следы тяжелых элементов, таких как золото и платина.

Событие было идентифицировано как столкновение двух нейтронных звезд. Одновременное наблюдение гравитационных волн и электромагнитных сигналов открыло новую главу в наблюдательной астрономии. «Фактически, оптический сигнал сыграл решающую роль в поиске звезды на небе», — объясняет астрофизик Шталь.

Наши «уши» Вселенной

Веками астрономия ограничивалась наблюдения видимого излучения. Улучшив понимание электромагнитного спектра, астрономы добавили множество новых методов наблюдения, обнаружили радиоволны и значительно расширили знания человечества с помощью вычислений и моделирования.

Когда добрую сотню лет назад Альберт Эйнштейн постулировал свою общую теорию относительности, он также высказал идею о том, что могут существовать волны, не имеющие ничего общего с электромагнитным спектром. Подобно звуковой волне, они должны были заставить испытательный образец на большом расстоянии немного «раскачиваться».

Большие ускоренные массы должны посылать такие волны в космос. Однако на Земле колебание, вызванное гравитационными волнами, настолько слабое, что движение намного меньше диаметра атома. Тем не менее, теперь стало возможным измерять гравитационные волны. Это новая эра для астрономов.

Это стало возможным благодаря так называемым лазерным интерферометрам. Они состоят из двух рычагов с зеркалами на концах. Лазерный луч попадает в интерферометр и разделяется светоделителем посередине.

Он проходит к крайним зеркалам в двух плечах и обратно к светоделителю. Если положение зеркала на конце рычага изменится, время прохождения соответствующего лазерного луча изменится незначительно. Эту величину можно измерить путем сравнения лазерного луча из затронутого зеркала с лазерным лучом из другого плеча интерферометра, где зеркало не было перемещено.

Точность этого измерения в современных детекторах гравитационных волн составляет всегда удивляет даже физиков: «Мы измеряем с точностью менее одной двухтысячной диаметра протона», — объясняет профессор Шталь.

«Ирония в том, что нам нужна точность в масштабе мельчайших известных нам частиц, чтобы обнаружить величайшие события во Вселенной — слияние черных дыр», — добавляет он.

Первые попытки измерения гравитационных волн были изготовлены еще в 1960-х годах. Однако только нынешнее второе поколение лазерных измерительных устройств может достичь такой исключительной точности и на данный момент обнаружило около 100 столкновений черных дыр или нейтронных звезд.

Телескоп Эйнштейна

Профессор Шталь является членом немецкого сообщества Эйнштейновского телескопа и в настоящее время работает над следующим поколением детекторов гравитационных волн. Измерительные приборы этого третьего поколения должны быть в десять раз чувствительнее, чем те, которые используются в настоящее время. Планируемая гравитационно-волновая обсерватория была названа «Телескоп Эйнштейна» в честь основателя общей теории относительности.

«Мы хотим использовать его для исследования области, которая в тысячу раз больше, чем возможна сегодня во Вселенной, на наличие гравитационных волн. И тогда мы должны найти значительно больше источников, к которым нынешние инструменты недостаточно чувствительны», — объясняет астрофизик. . Это также относится и к более тяжелым объектам, которые излучают гравитационные волны на более низких частотах.

Телескоп Эйнштейна будет состоять из трех вложенных друг в друга детекторов. Каждый из этих детекторов будет иметь два лазерных интерферометра с длиной плеча 10 км. Чтобы максимально экранировать помехи, обсерваторию построят на глубине 250 м под землей.

Однако ученые уже думают гораздо дальше. «Телескоп Эйнштейна будет работать вместе с новым, инновационным поколением обсерваторий в электромагнитном спектре от радио до гамма-лучей. Мы называем это мультимессенджерной астрономией», — говорит профессор Шталь, описывая свое видение.

«Помимо «ушей» гравитационных волн, у нас также будут «глаза», которые улавливают самые разные сигналы. Вместе они обеспечат прямую передачу космических событий, которых никто никогда раньше не видел».

До сих пор вы могли смотреть на небо наугад и надеяться на короткую вспышку. В будущем детекторы гравитационных волн будут работать непрерывно и «слушать» появление сигнала. Если несколько таких детекторов улавливают сигнал, можно вычислить область его происхождения и настроить на него другие оптические телескопы. Как и в случае со столкновением нейтронной звезды летом 2017 года, тогда станет возможным проведение нескольких систематических измерений.

Ученые надеются получить от этого много новых идей, например, о ранней Вселенной или о столкновениях, в которых образовались все элементы тяжелее железа.

Детекторы в Европе и по всему миру

Такие сложные измерения требуют глобального сотрудничества. Соответственно, в США также разрабатывается концептуальный проект детектора третьего поколения.

«Космический исследователь» сформирует глобальную сеть детекторов вместе с телескопом Эйнштейна. В 2021 году европейцы включили телескоп Эйнштейна в дорожную карту Европейского стратегического форума по исследовательским инфраструктурам (ESFRI). ESFRI была основана в 2002 году с целью дать возможность национальным правительствам, научному сообществу и Европейской комиссии совместно разрабатывать и поддерживать концепцию исследовательской инфраструктуры в Европе.

С включением в дорожную карту ESFRI телескоп Эйнштейна вступил в фазу подготовки. Бюджет оценивается в 1,8 миллиарда евро. Ожидается, что эксплуатация будет стоить около 40 миллионов евро в год. Строительство планируется начать в 2026 году, а наблюдения начнутся в 2035 году.

Сейчас ведутся исследования по выбору площадки. Решение ожидается в 2024 году. В настоящее время исследуются два возможных объекта: один на Сардинии и один в Еврорегионе Маас-Рейн в пограничном треугольнике между Германией, Бельгией и Нидерландами. При оценке участков партнеры по исследованию должны не только учитывать целесообразность строительства, но и прогнозировать, в какой степени местная окружающая среда повлияет на чувствительность и работу детектора.

Проект обещает ряд преимуществ для соответствующего региона: значительная часть затрат в размере 1,8 миллиарда долларов пойдет на строительные мероприятия. Требуются трижды по десять километров туннелей и двенадцать раз по десять километров вакуумных труб, и это лишь два примера. В проекте уже участвует значительное количество компаний.

Большая команда уже работает над реальным измерительным оборудованием в различных местах. Помимо RWTH Ахенского университета сюда также входит Институт лазерных технологий Фраунгофера ILT в Ахене. Сейчас там разрабатываются новые лазеры, без которых новые измерения были бы невозможны.

«То, что мы здесь разрабатываем для потенциального использования в телескопе Эйнштейна, уникально по своей конструкции и предназначено исключительно для измерения гравитационных волн», — подтверждает руководитель проекта Патрик Баер из Fraunhofer ILT, который в качестве руководителя исследовательского подразделения в сообществе телескопа Эйнштейна представляет исследовательские группы. из Институтов лазерных технологий Фраунгофера ILT и производственных технологий IPT, а также кафедры лазерных технологий LLT и технологии оптических систем в RWTH Ахенском университете.

«Однако в упрощенном варианте лазерная технология, разработанная для этой области применения, может представлять интерес и для других приложений, например, в квантовой технологии. Но полученные знания могут быть полезны и для разработки лазеров в медицинской технике: длина волны Например, размер 2 мкм подходит для разрушения камней в почках и мочевом пузыре».

В конечном счете, это то, чем занимается Fraunhofer ILT с момента своего основания: создание высокотехнологичных лазеров на основе исследований, пригодных для промышленного применения.< /п> <р>Финансирование еще не обеспечено в полной мере. Профессор Шталь ожидает принятия окончательного решения в ближайшие два года. Сначала к работе приступят проектировщики, затем строители туннелей и, наконец, физики-лазеры. «По моим оценкам, мы сможем провести первые измерения в 2035 году».

Что привлекает такого исследователя, как Ахим Шталь? «С помощью гравитационных волн мы можем заглянуть во Вселенную гораздо дальше, чем с помощью обычных телескопов», — объясняет астрофизик.

«В астрофизике заглянуть дальше во Вселенную означает — прежде всего — оглянуться назад во времени. Телескоп Эйнштейна, мы будем получать сигналы того времени, когда образовались галактики и первые звезды. Это произойдет дальше, чем это возможно с помощью оптических средств, и мы услышим космические взрывы вживую вместе с гравитационными волнами, прежде чем увидим их». /p>

Более чувствительные детекторы телескопа Эйнштейна «услышат» сигналы раньше и дадут другим телескопам больше времени для настройки. Раньше увидеть такое событие было скорее удачным совпадением. Теперь впервые возможны систематические измерения. Наступают захватывающие времена – и не только для астрофизиков.

Предоставлено Фраунгоферовским институтом лазерной техники ILT

Новости сегодня

Последние новости