Международная группа астрономов провела оценку потенциала будущего крупного детектора гравитационных волн. Помимо основной задачи, проект LISA будет направлен на поиск новых фундаментальных полей и еще раз попытается выявить отклонения от предсказаний Общей теории относительности Эйнштейна.
Космическая антенна с лазерным интерферометром (LISA) — это крупномасштабный проект Европейского космического агентства (ЕКА), направленный на создание мощного детектора гравитационных волн. Проект предусматривает использование трех идентичных аппаратов, расположенных в форме равностороннего треугольника со стороной 2,5 миллиона километров.
Как следует из названия, аппараты будут соединены между собой с помощью лазеров. Изменение положения аппаратов относительно друг друга можно будет установить, анализируя сдвиг фазы лазерного луча. Это позволит не только обнаружить прохождение гравитационной волны, но и измерить ее поляризацию, а также определить направление на источник. Благодаря треугольной конфигурации, точность определения направления у LISA превосходит точность существующих наземных детекторов LIGO и Virgo.
LISA сможет отслеживать гравитационные волны в миллигерцевом диапазоне, который недоступен для наземных интерферометров из-за шумов, как антропогенного, так и сейсмического происхождения, полную компенсацию которых обеспечить невозможно. Измерения охватят диапазон, позволяющий обнаружить гравитационные волны, исходящие от систем, включающих массивную черную дыру, масса которой может быть в миллионы раз больше массы Солнца, и компактный объект звездной массы – черную дыру или нейтронную звезду. Эти системы классифицируются как спиральные системы с экстремальным соотношением масс, или EMRI (extreme mass-ratio inspirals).
Международная группа астрономов из Италии и Великобритании провела исследование, опубликованном в журнале Nature Astronomy, показала, что космический интерферометр LISA может быть использован для выявления новых фундаментальных полей.
Профессор Томас Сотириу (Thomas Sotiriou), по словам директора Ноттингемского центра по изучению гравитации, новые фундаментальные поля, например, скалярные, предлагались для объяснения ряда явлений: от темной материи до ускоренного расширения Вселенной, а также как проявление связи между гравитацией и элементарными частицами. В настоящее время продемонстрировано, что LISA предоставит уникальные возможности для обнаружения таких скалярных полей».
Определённые упрощения Общей теории относительности Эйнштейна предсказывают наличие скалярных гравитационных волн, которые в каждой точке пространства характеризуются единственным числом, представляющим собой заряд. Однако, согласно самой теории относительности, гравитационное взаимодействие описывается посредством тензорного поля, которое является n-мерной матрицей).
Наземные гравитационные детекторы, проводя наблюдения за астрофизическими объектами с незначительными гравитационными полями, пока не выявили расхождений с теорией Эйнштейна и указывают на существование только тензорных гравитационных волн. Тем не менее, существует вероятность того, что отклонения от Общей теории относительности можно будет обнаружить в более экстремальных ситуациях, например, при наблюдении EMRI.
Новый метод моделирования сигнала позволяет ученым воспроизвести излучение, возникающее при вращении звездной массы вокруг массивной черной дыры, и впервые дает возможность оценить потенциал LISA в обнаружении скалярных гравитационных полей.
Анализ показал, что LISA может измерять скалярный заряд небольшого тела в системе EMRI с точностью, достигнувшей беспрецедентного уровня – около одного процента. Важно, что этот результат не зависит от источника скалярного поля, а также от структуры и других характеристик компактного объекта в системе EMRI, что позволяет рассматривать его как универсальную оценку потенциала интерферометра LISA в поиске новых фундаментальных полей.