Ученые обнаружили первую давно предсказанную гравитационную волну в 2015 году, и с тех пор исследователи жаждут более совершенных детекторов. Но Земля теплая и сейсмически шумная, и это всегда будет ограничивать эффективность наземных детекторов.

Является ли Луна подходящим местом для новой обсерватории гравитационных волн? Может быть. Отправка телескопов в космос сработала хорошо, и установка обсерватории GW на Луне тоже могла бы помочь, хотя предложение, очевидно, очень сложное.

Большая часть астрономии посвящена свету. Чем лучше мы это чувствуем, тем больше мы узнаем о природе. Вот почему такие телескопы, как Хаббл и JWST, находятся в космосе. Атмосфера Земли искажает изображения телескопа и даже блокирует часть света, например инфракрасного. Космические телескопы решают обе эти проблемы и произвели революцию в астрономии.

Гравитационные волны не легкие, но их обнаружение все равно требует чрезвычайной чувствительности. Точно так же, как атмосфера Земли может вносить «шум» в наблюдения телескопа, сейсмическая активность Земли может создавать проблемы для детекторов гравитационных волн. Луна имеет большое преимущество перед нашей динамичной, постоянно меняющейся планетой: на ней гораздо меньшая сейсмическая активность.

Со времен Аполлона мы знали, что на Луне наблюдается сейсмическая активность. Но в отличие от Земли, большая часть ее активности связана с приливными силами и ударами крошечных метеоритов. Большая часть его сейсмической активности также слабее и намного глубже, чем у Земли. 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 arXiv сервер препринтов. Ведущий автор — Парамесваран Аджит, физик/астрофизик из Международного центра теоретической науки Института фундаментальных исследований Тата, Бангалор, Индия. Аджит также является членом научного сотрудничества LIGO.

Обсерватория гравитационных волн (GWO) на Луне покроет пробел в частотном охвате.

«Учитывая размер Луны и ожидаемый шум, создаваемый лунным сейсмическим фоном, LGWA сможет наблюдать GW в диапазоне от 1 МГц до 1 Гц», — пишут авторы. «Это сделает LGWA недостающим звеном между космическими детекторами, такими как LISA с пиковой чувствительностью около нескольких миллигерц, и предлагаемыми 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». Отсутствие фонового шума позволит проводить более чувствительные обнаружения.

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 — это амбициозная идея, потенциально способная изменить правила игры в научной сфере. В сочетании с телескопами, наблюдающими во всем электромагнитном спектре, а также с детекторами нейтрино и космических лучей (так называемая мультимессенджерная астрономия) она может улучшить наше понимание целого ряда космических событий.

LGWA будет обладать уникальными возможностями для обнаружения космических взрывов. «Только LGWA может наблюдать астрофизические события, в которых участвуют WD (белые карлики), такие как события приливного разрушения (TDE) и 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 также сможет обнаруживать более легкие двойные черные дыры промежуточной массы (IMBH) в ранней Вселенной. IMBH сыграли роль в формировании сегодняшних сверхмассивных черных дыр (SMBH) в сердце галактик, подобных нашей. У астрофизиков есть много вопросов без ответов о черных дырах и о том, как они развивались, и LGWA должно 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. За прошедшие десятилетия ученые получили более точные измерения постоянной Хаббла, но расхождения все еще существуют.

LGWA также расскажет нам больше о Луне. Его сейсмические наблюдения раскроют внутреннюю структуру Луны более подробно, чем когда-либо. Ученые до сих пор многое не знают о его формировании, истории и эволюции. Сейсмические наблюдения LGWA также прольют свет на геологические процессы на Луне.

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

В 2023 году ЕКА 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 фокусируется 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 становятся все лучше и лучше в этом, и появление и расцвет науки о ГВ является примером этого, хотя мы только начинаем. Не прошло и десяти лет с тех пор, как ученые обнаружили свою первую ГВ.

Куда пойдут дела дальше?

«Несмотря на хорошо разработанную дорожную карту для науки о ГВ, важно понимать, что исследование нашей Вселенной с помощью ГВ 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».