LISA: Co Tak Naprawdę Zobaczy Rewolucyjne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych?

Rewolucja w badaniach fal grawitacyjnych – projekt LISA

Kosmiczne obserwatorium za 6,4 miliarda złotych

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) to ambitny projekt badawczy, którego celem jest rewolucja w detekcji fal grawitacyjnych – niewielkich zaburzeń czasoprzestrzeni, przewidzianych teoretycznie ponad sto lat temu i po raz pierwszy wykrytych dopiero osiem lat temu. Koszt misji szacowany jest na 6,4 miliarda złotych, a jej start zaplanowano na następną dekadę.

Do tej pory naukowcy skupiali się głównie na konstrukcji i wyzwaniach inżynieryjnych związanych z wysłaniem tego futurystycznego obserwatorium w kosmos. Jednak nie mniej istotne jest to, jakie dane LISA będzie zbierać i jak mogą one wpłynąć na naszą wiedzę o wszechświecie – od źródeł fal grawitacyjnych po sposób, w jaki te fale kształtują przestrzeń kosmiczną.

LISA – precyzja w prostocie

LISA składać się będzie z trzech sond kosmicznych krążących wokół Słońca w ustalonej formacji trójkąta. Obserwatorium wykorzysta interferometrię laserową, czyli metodę pomiaru odległości między masami za pomocą ultradokładnych promieni laserowych o długości około 8 milionów kilometrów. Każde z ramion trójkąta utworzonego przez sondy LISA będzie miało długość około 2,5 miliona kilometrów.

Lasery stanowią kluczowy element konstrukcji, ale nie są jej jedynym składnikiem. Główne elementy pomiarowe to trzy metalowe sześciany wykonane ze stopu złota i platyny, umieszczone po jednym w każdej z sond. Zastosowanie tego nietypowego materiału ma na celu minimalizację wpływu magnetyzmu, który mógłby zakłócać dokładność pomiarów. Celem LISA jest podróżowanie przez kosmos w taki sposób, aby jedynymi siłami działającymi na sześciany były fale grawitacyjne.

„Podstawowa idea projektu polega na tym, że wystrzeliwujemy te sześciany w przestrzeń i chcemy, aby swobodnie doświadczały czasoprzestrzeni, bez żadnych innych sił na nie oddziałujących” – wyjaśnia astrofizyczka Saavik Ford z American Museum of Natural History. „Największym wyzwaniem jest zapewnienie, żeby statek kosmiczny nie dryfował w ich stronę i nie uderzał w nie, co byłoby katastrofalne.”

Wyzwania inżynieryjne i precyzja na kosmiczną skalę

Skala trudności tego projektu jest porażająca. Jak zauważa doktorant Jake Postiglione, techniczne wyzwania można porównać do próby trafienia laserem wystrzelonym z Nowego Jorku do Los Angeles w oko owada – i to w sytuacji, gdy zarówno laser, jak i owad są w ruchu.

NASA odgrywa kluczową rolę w realizacji misji, dostarczając m.in. systemy laserowe, teleskopy oraz urządzenia kontrolujące poziom ładunku elektrycznego na testowych masach.

Dotychczasowe detektory fal grawitacyjnych, takie jak LIGO, Virgo czy KAGRA, pozostają ograniczone do częstotliwości, które można zbadać z powierzchni Ziemi. Jednak nasza planeta sama wytwarza zakłócenia, które uniemożliwiają pomiary fal o niskiej częstotliwości. LISA, dzięki umieszczeniu w kosmosie, pozwoli na detekcję tych subtelnych sygnałów, które do tej pory były niewidoczne dla naukowców.

Okno na pradawne czarne dziury

Obserwatoria fal grawitacyjnych różnią się zakresem wykrywanych częstotliwości. Detektory naziemne, takie jak LIGO, najlepiej radzą sobie z falami o wysokiej częstotliwości, które powstają w wyniku kolizji czarnych dziur o masie porównywalnej do gwiazd. Jednak gdy masa tych obiektów przekracza 200 mas Słońca, częstotliwości ich fal grawitacyjnych zaczynają zlewać się z zakłóceniami pochodzącymi z Ziemi.

„Istnieje zakres częstotliwości, przy którym Ziemia generuje tak duży hałas, że staje się problemem” – wyjaśnia Ford. „W takim przypadku po prostu nie da się przeprowadzić obserwacji z powierzchni planety. Jedynym rozwiązaniem jest przeniesienie badań w przestrzeń kosmiczną.”

LISA może okazać się kluczowa w detekcji zderzeń supermasywnych czarnych dziur, które mają masę miliardów Słońc i znajdują się w centrach ogromnych galaktyk. Obserwacje tych kosmicznych gigantów mogą dostarczyć bezcennych informacji na temat ewolucji wszechświata.

Kosmiczny szum – wyzwanie dla obserwacji

Mimo że LISA będzie znajdować się w przestrzeni kosmicznej, wciąż będzie musiała radzić sobie z „kosmicznym szumem”, czyli sygnałami pochodzącymi od innych obiektów emitujących fale grawitacyjne. Jednym z najtrudniejszych do odfiltrowania źródeł są układy podwójne białych karłów – to pozostałości po gwiazdach, które krążą wokół siebie i generują zaburzenia czasoprzestrzeni.

Niektóre z tych układów, znane jako „układy weryfikacyjne”, będą jednak niezwykle pomocne. Ich istnienie jest dobrze udokumentowane, co pozwoli naukowcom wykorzystać je do potwierdzenia skuteczności działania LISA po uruchomieniu misji.

Śledzenie ewolucji kosmicznej

LISA pomoże odpowiedzieć na jedno z fundamentalnych pytań astrofizyki: „Jak powstał wszechświat?”. Czarna dziura w centrum naszej galaktyki – Sagittarius A* – ma masę około czterech milionów Słońc, ale istnieją znacznie potężniejsze obiekty, których istnienie wciąż pozostaje zagadką.

Badania czarnych dziur są kluczowe dla zrozumienia procesów formowania się gwiazd i galaktyk. Gigantyczne czarne dziury w centrach galaktyk mogą wpływać na tempo formowania się nowych gwiazd, a także wyrzucać materię w przestrzeń kosmiczną, kształtując ewolucję wszechświata.

Nowe obserwacje dostarczane przez teleskop Jamesa Webba wskazują na istnienie tzw. „Małych Czerwonych Kropek” – obiektów, które mogą być aktywnymi jądrami galaktyk zasilanymi przez supermasywne czarne dziury. Ich obecność sugeruje, że masywne czarne dziury istniały już we wczesnym wszechświecie. LISA pomoże naukowcom potwierdzić te teorie, dostarczając kluczowych danych na temat tych tajemniczych obiektów.

Odsłonięcie tajemnic wszechświata

LISA to nie tylko nowy detektor fal grawitacyjnych, ale również narzędzie, które może zrewolucjonizować naszą wiedzę o kosmosie. Dzięki niemu naukowcy będą mogli dokładniej badać strukturę wszechświata, testować ogólną teorię względności Einsteina i poszukiwać dowodów na istnienie nieznanych dotąd zjawisk.

Choć do startu misji pozostaje jeszcze ponad dekada, naukowcy już teraz przygotowują się do analizy przyszłych danych. LISA ma szansę stać się jednym z najważniejszych projektów astronomicznych XXI wieku, otwierając przed ludzkością nowe możliwości obserwacji niewidzialnych dotąd zakątków kosmosu.