Этот замысел не так уж абсурден, как кажется на первый взгляд. Согласно теории, гравитационная волна, проходя через какой-то участок пространства, чуть-чуть растягивает и сжимает его в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Поместив на пути волны пробное тело и измерив его геометрию с высокой точностью, по идее, гравитационную волну можно уловить. Вот только эффект этот очень мал. Дабы усилить его, нужно либо создавать чудовищные по размеру установки, либо... искать пробные тела в далёком космосе.

Но по порядку. Сильные гравитационные волны могут быть порождены вращением неидеальных нейтронных звёзд, их способны также генерировать различные катастрофические процессы во Вселенной, вроде слияния чёрных дыр, коллапса тесных двойных звёздных систем, а, по некотором предположениям, и гибель суперструн. Наконец, хаотичные движения крупномасштабных неоднородностей вещества в первые доли секунды существования Вселенной также должны были оставить после себя след из космологических гравитационных волн. Представляете, сколько новых знаний можно почерпнуть из такого источника?

Для поимки тонкой ряби в ткани пространства-времени исследователи построили несколько больших наземных установок (таких как LIGO в США) и собираются даже запустить детекторы на орбиту (речь о группе спутников LISA, немного подробностей этого проекта можно найти тут).



Проект LIGO располагает двумя детекторами гравитационных волн: в штатах Луизиана и Вашингтон. На снимке – второй из этих многокилометровых приборов (фото с сайта en.wikipedia.org).

Увы, результаты многолетних наблюдений пока неутешительны. Чувствительности приборов всё ещё не хватает для поимки жар-птицы. А казалось, победа близка. Ведь современная аппаратура способна уловить колебания в длине плеча лазерного интерферометра (один из видов гравитационных телескопов), насчитывающие тысячные доли диаметра атомного ядра. И это — при расстоянии между зеркалами детектора в сотни метров и даже в несколько километров.

Авторы нового суперпроекта полагают, что за научным счастьем следует топать в другом направлении. Группа учёных из полутора десятка научных организаций США, Канады и Франции работает над развитием "Североамериканской наногерцевой обсерватории гравитационных волн" (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves — NANOGrav). И пусть обсерватория будет располагаться на Земле, но, в этом вся красота замысла, пробные тела, издевательства гравитационных волн над которыми и будут измеряться, расположены за много тысяч световых лет от нашего голубого шарика.

В качестве детекторов авторы проекта намерены использовать порядка сотни миллисекундных пульсаров — это безумно вращающиеся нейтронные звёзды, испускающие периодические радиоимпульсы с аккуратностью и точностью, которым позавидуют любые атомные часы. Сами нейтронные звёзды тоже способны генерировать гравитационные волны, но в данном случае исследователей интересует умение пульсаров откликаться на прохождение через них таких волн, посланных каким-нибудь другим источником.



Группа пульсаров в новом проекте выступает в роли поплавков, раскачивающихся при прохождении по космосу искажений пространства. Кстати, обсерватория NANOGrav намерена выявлять низкочастотные гравитационные волны в диапазоне от наногерц до микрогерц (иллюстрация NANOGrav).

Расчёты говорят, что в такой ситуации в строгой последовательности радиосигналов произойдёт крошечный сбой — очередной "писк" будет издан чуть-чуть позже или чуть-чуть раньше номинального времени. Правда, чтобы таким способом ухватить-таки нашу жар-птицу за хвост, нужно, чтобы погрешность измерения времени прихода каждого импульса не превышала 100 наносекунд.

Лишь для нескольких самых "удачных" пульсаров в настоящее время достигнута такая погрешность измерений. А для надёжной поимки искажений пространства лучше располагать точностью ещё более высокой. Не беда, утверждают астрономы, в течение следующего десятилетия точность "лучше 100 наносекунд" окажется достижима.



305-метровая "чаша" радиотелескопа в Аресибо известна даже многим людям, далёким от астрономии. Это одно из самых лучших наших "окон" во Вселенную, питающее исходными данными множество исследований. И это – самый крупный радиотелескоп с единичной антенной в мире (фото National Astronomy and Ionosphere Center).

Сейчас проект проводит первые пробные наблюдения, получая данные с радиотелескопов обсерваторий "Аресибо" (Arecibo Radio Telescope) в Пуэрто-Рико и "Грин Бэнк" (Green Bank Telescope) в Западной Вирджинии.

Но участники проекта NANOGrav надеются в будущем получить толику рабочего времени на грандиозных радиотелескопах-интерферометрах следующего поколения. К таковым относят, например, "Телескоп Аллена" (Allen Telescope Array — ATA), расположенный в Калифорнии.



В настоящее время в составе "Телескопа Аллена" работают 42 "тарелки", но в финале их окажется 350. Суммарная собирающая площадь этих антенн будет эквивалентна одной "чаше" диаметром 114 метров (фото SETI Institute).

Он заработал не в полную силу в 2007-м, но всё ещё продолжает расширяться. Напомним, главная цель этого комплекса — поиск сигналов от братьев по разуму. Одновременно же научное сообщество проводит на нём исследования далёких звёзд, галактик и туманностей.

В своём финальном варианте ATA станет одним из самых зорких радиотелескопов мира. Но самым-самым окажется ещё только проектируемый Square Kilometer Array (SKA), имя которого можно перевести как "Массив в квадратный километр".

Под одним квадратным километром тут подразумевается даже не занимаемый комплексом на земле участок, а суммарная приёмная площадь всех составляющих его антенн, россыпь которых растянется на 3000 километров.

Этот международный проект предусматривает возведение замысловатой "фигуры" из тысяч антенн двух видов – наклонных "блюдец" и горизонтальных плоских панелей с синтезированной апертурой. В качестве места строительства пока названо несколько подходящих площадок в разных странах, но два главных претендента — Австралия и ЮАР. Выбор между ними будет сделан в 2011 или 2012 году.



Комплекс Square Kilometer Array должен располагать ядром поперечником в 5 километров, в котором сосредоточится половина антенн. Ещё часть расположится в десятках 200-метровых станций, размещённых в виде спиральных "галактических рукавов" вокруг ядра. Эти рукава раскинутся на 150 километров. И ещё некоторая толика станций разместится в пределах 3000 км. Все эти части супертелескопа будут действовать согласованно (иллюстрации Xilostudios, SKA).

SKA будет в 50 раз более чувствительным, чем какой-либо другой радиотелескоп в мире, а обзор неба он сможет выполнять в 10 тысяч раз быстрее. SKA будет работать в довольно широком диапазоне частот (70 мегагерц — 25 гигагерц), и затруднительно даже перечислить все "цели", которые могут оказаться в его "перекрестии". Неудивительно, что инициаторы проекта NANOGrav намерены получить толику рабочего времени и на этом уникальном инструменте.

Однако прежде чем поток сырых данных превратится в "явные" сигналы от пробегающих по Галактике гравитационных волн, учёным потребуется "раскусить" ряд непростых задач.

Например, нужно проработать выявление и вычитание из исходных сигналов искажений, вносимых в них по мере прохождения радиоизлучения через космос (на пути электромагнитных волн от пульсаров могут попадаться большие облака заряженных частиц). Есть и другие задачи в области софта и железа. Но все они — решаемые. (Большая статья учёных о планах проекта NANOGrav, его научной и технической составляющих размещена на сервере arXiv.org.)



Robert C. Byrd Green Bank Telescope – так полностью называется это колоссальное сооружение. Его почти круглая антенна насчитывает в поперечнике 100 х 110 метров, и это самый крупный радиотелескоп на планете из тех, главное "зеркало" которых способно полностью поворачиваться. Подвижная часть телескопа, кстати, весит 7300 тонн (фото National Radio Astronomy Observatory).

Итак, наши герои, словно сказочные персонажи, получают "богатства", не прикладывая особых усилий. Если другие искатели гравитационных волн тратят колоссальные средства на постройку уникальных наземных детекторов, авторы проекта NANOGrav намерены фактически обойтись минимумом собственной "материальной базы". Всё, что им понадобится, — рабочее время на крупнейших радиотелескопах мира (оно не бесплатное, но, учитывая грандиозность задачи, — стоит недорого) и компьютеры для анализа собранных данных.

По оценке специалистов, в полную силу проект должен заработать к 2020 году (примерно к этому сроку будет завершено развёртывание исполинских массивов ATA и SKA), хотя и в 2010-х NANOGrav не будет бездействовать: продолжатся исследования при помощи аппаратуры в "Аресибо" и "Грин Бэнк". Стоимость же работ окажется на уровне $66 миллионов за 10 лет наблюдений.

Детектор галактического масштаба поможет пролить свет на физику ранней Вселенной, уточнить картину периода инфляции, прозондировать природу пространства-времени, внести корректировки в строящееся здание квантовой теории гравитации, раскрыть картину совместной эволюции галактик и сверхмассивных чёрных дыр в их ядрах, а ещё, быть может, открыть неизвестные пока типы источников гравитационных волн.

15 сентября 2009

www.membrana.ru