LISA a eLISA – vesmírný gravitační teleskop

Původní varianta gravitačního teleskopu LISA (zdroj NASA).

První reálné studie projektu vesmírného detektoru se objevily v osmdesátých letech a postupně se stal jedním z klíčových projektů evropské vesmírné organizace ESA a na přelomu století byl navržen jako společný projekt této organizace a americké organizace NASA. Projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna) předpokládal tříramenný gravitační interferometr složený ze tří družice, které by udržovaly mezi sebou vzdálenost pět milionů kilometrů. Půjde zase o interferenci rozděleného svazku koherentního záření (se stejnou vlnovou délkou a stejnou fází), který tak proletí vzdálenost ke dvěma dalším sondám. Pokud bude vzdálenost v jednotlivých ramenech stejná, budou dva rozdělené paprsky fázově posunuty o 180 stupňů a paprsky se budou při interferenci rušit. V případě příchodu gravitační vlny dojde k tomu, že se prostor v jednom směru stlačí a v druhém roztáhne. V tom případě se intenzita kvůli změně v interferenci mění a z této změny lze sledovat i velmi nepatrné změny vzdálenosti v ramenech a tím i průchod gravitačních vln. Pro vysílání je potřeba mít velice výkonné a kvalitní lasery a pro detekci výkonné dalekohledy. Zároveň je třeba extrémně přesně definovat polohu a pohyb tří sond, které budou ramena definovat.

Start sondy LISA Pathfinder pomocí evropské rakety Vega (zdroj ESA).

V nedávném článku se psalo o pozemských detektorech LIGO a VIRGO. Ty mají délku ramen mnohem menší. Vesmírný detektor tak umožní zachytit mnohem slabší vlny, ale také vlny s mnohem nižší frekvencí. Zatímco pozemní detektory detekují vlny s frekvencí od desítek až po tisíce hertzů, vesmírný detektor se dostane do oblasti 0,1 až 10 milihertzů. Zatímco pozemské detektory detekují extrémně „katastrofické“ děje, jako je právě splynutí dvou černých děr, vesmírný teleskop by mohl zachytit i gravitační vlny vysílané binárními kompaktními systémy ještě dlouho před tím, než dospějí ke svému konci, velmi hmotné černé díry v centrech galaxií a jejich dynamiku, vývoj hvězdných černých děr a také ozvěny z počátku vesmíru.

Z finančních důvodů americká NASA počátkem roku 2011 od projektu odstoupila. Evropská agentura ESA se v něm rozhodla pokračovat, i když ve zmenšené podobě. Délka ramen se snížila na milión kilometrů a místo tří provozovaných ramen budou jen dvě. Redukovaný projekt dostal název eLISA (evolved LISA, i když by to také mohlo znamenat european LISA). Pro jeho úspěšné dokončení je potřeba otestovat řadu technologií, které jsou na hraně současných technologických možností. Jednou z nich je také přesné určení a definice polohy jednotlivých sond. K tomu testu má sloužit sonda LISA Pathfinder, která se právě nyní dostala na své pracovní místo. Pokud budou testy úspěšné, předpokládá se let samotných tří sond projektu eLISA v roce 2035.

LISA Pathfinder

Instalace vybaveni do sondy LISA Pathfinder (zdroj ESA).

Sonda LISA Pathfinder, která má prozkoumat a otestovat technologie potřebné pro projekt eLISA, startovala 3. prosince 2015. Tato sonda má pracovat v Lagrangeově libračním bodu 1 soustavy Země a Slunce. Lagrangeovy librační body jsou v místech, kde se vyrovnávají gravitační a odstředivá síla v soustavě dvou těles tak, že malé těleso umístěné v tomto místě nemění polohu vůči těmto dvěma tělesům. Librační bod 1 je mezi nimi. Toto místo je ideální pro pozorování Slunce, protože poloha Slunce a Země vůči sondě se nemění. Proto se do tohoto bodu umisťují sluneční sondy, jako byla třeba družice SOHO. Librační bod 1 je ve vzdálenosti 1 500 000 km od Země a trvalo tři týdny, než se sonda LISA Pathfinder 22. ledna 2016 do tohoto bodu dostala. Po dosažení libračního bodu se motorová sekce oddělila od vědecké. Pak došlo k přesnému umístění sondy na její dráhu kolem libračního bodu.

Sonda LISA Pathfinder se připravuje k letu (zdroj ESA).

Sonda obsahuje dvě identické krychle o hmotnost 2 kg, které představují testovací hmotnosti. Každá z nich se bude vznášet ve své vakuové komoře po celou dobu letu. Budou co nejlépe odstíněny od všech vnějších i vnitřních vlivů kromě gravitace a umožní extrémně přesné měření pohybu tělesa v gravitačním poli. Velice speciální slitina zlata a platiny umožňuje odstranění vlivu magnetických polí. Ultrafialové záření je využito k odstranění nebezpečí vzniku elektrostatického náboje na tělesech. Velmi přesné interferometry budou měřit polohu a orientaci těles s přesností okolo 10 pm (10^-11 m). Malé motorky pak zajišťují, aby se poloha sondy udržovala tak, aby měla testovací hmotnost v centru komory. Motorky umožňují velice jemnou a plynulou změnu polohy a orientace sondy. Jejich tah umožňuje dosáhnout jemnosti až v řádu mikronewtonu, což je váha zrnka písku na povrchu Země. Celá sonda se tak může pohybovat, jako by ji neovlivňovala jiná síla než gravitační. A přesně to musíme docílit u všech sond detektoru eLISA.

Schéma uložení testovacích těles a měřících přístrojů na sondě LISA Pathfinder (zdroj ESA).

Dne 15. února 2016 se pak podařilo uvolnit první testovací hmotnost z fixačních držáků, které zajišťovaly, aby se během startu a přesunu do libračního bodu nepoškodila. Těleso se tak začalo kontrolovaně vznášet ve své komoře. V dalším dni 16. února by se mělo uvolnit druhého testovacího tělesa. Od prvního března má pak začít přesné měření polohy krychlí a měl by se zahájit program testování. Evropa se tak reálně vydala na cestu k detekci gravitačních vln z vesmíru. Ta bude sice dlouhá, ale pokud se potvrdí měření pomocí detektoru LIGO, mohlo by dojít ke zvýšení její priority a zrychlení. Tento detektor by zahájil opravdu intenzivní rozvoj gravitační astronomie.

Založeno na informacích ze zdrojů ESA.