LISA olağanüstü bir yerçekimi dalgası gözlemevi olacak, ancak onu 100 kat daha güçlü hale getirmenin bir yolu var.

2015 yılında Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi’ndeki (LIGO) araştırmacılar tarafından Yerçekimi Dalgalarının (GW) ilk kez tespiti astronomide bir devrimi tetikledi. Bu fenomen, büyük kütleli nesnelerin birleşmesinden kaynaklanan uzay-zaman dalgalanmalarından oluşur ve Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi tarafından bir asır önce tahmin edilmişti. Önümüzdeki yıllarda, Lazer İnterferometre Uzay Anteni (LISA) gibi yeni nesil gözlemevlerinin tanıtılması sayesinde bu gelişen alan önemli ölçüde ilerleyecektir.

Gökbilimciler daha büyük bir hassasiyetle GW olaylarını kaynaklarına kadar takip edebilecek ve bunları egzotik nesnelerin iç kısımlarını ve fizik yasalarını araştırmak için kullanabilecekler. Avrupa Uzay Ajansı (ESA), Voyage 2050 planlama döngüsünün bir parçası olarak, GW astronomisi de dahil olmak üzere 2050 yılına kadar hazır olabilecek görev temalarını değerlendiriyor. Yakın tarihli bir makalede, ESA’nın Misyon Analizi Bölümünden ve Glasgow Üniversitesinden araştırmacılar, LISAmax olarak bilinen LISA üzerine inşa edilecek yeni bir kavram sundular. Bildirdikleri gibi, bu gözlemevi GW hassasiyetini potansiyel olarak iki kat artırabilir.

Araştırma, ESA’nın Darmstadt, Almanya’daki Avrupa Uzay Operasyonları Merkezi’nde (ESOC) Misyon Analisti olan teorik fizik Dr. Waldemar Martens tarafından yönetildi. Kendisine havacılık mühendisi ve astrofizikçi, aynı zamanda ESOC’de Misyon Analisti olan Michael Khan ve Glasgow Üniversitesi’nde astronomi ve astrofizik Araştırma Görevlisi olan astrofizikçi Dr. Jean-Baptiste Bayle katıldı. Bulgularını açıklayan makale internette yayınlandı. arXiv ön baskı sunucusu yakın zamanda ve şu anda dergi tarafından yayınlanmak üzere inceleniyor Klasik ve Kuantum Yerçekimi.

LIGO bilim adamları tarafından ilk kez 2015 yılında tespit edildiklerinden beri, LIGO ve dünya çapındaki diğer gözlemevlerindeki araştırmacılar, tespit edebildikleri GW olayı türlerini geliştirdiler. Buna İtalya’daki Başak Gözlemevi (Pisa yakınlarında) ve Japonya’nın Hida kentindeki Kamioka Yerçekimi Dalgası Dedektörü (KAGRA) dahildir. Bu gözlemevleri o zamandan beri LIGO ile ortaklık kurarak Ligo-Başak-KAGRA (LVK) İşbirliğini oluşturdu. Bu ve diğer gözlemevlerinin çabaları ve artan hassasiyet sağlayan yükseltmeler, tespit edilen olayların sayısını artırdı ve hatta bazılarının kaynaklarına kadar izini sürdü.

Martens’in Universe Today’e e-posta yoluyla söylediği gibi, bu öncü çalışma paha biçilmezdi. Ancak tüm astronomi biçimleri gibi, gelecekteki ilerleme kısmen uzayda gözlemevlerine sahip olmaya bağlıdır:

“Artık yerçekimi dalgalarının ölçülebileceğine dair hiçbir şüphe kalmadığına göre, gökbilimciler daha önce yalnızca elektromanyetik dalgaların mevcut olduğu yerlerde bunları ek bir bilgi kaynağı olarak kullanmak istiyorlar. LIGO/Virgo/Kagra gibi dünya tabanlı dedektörler frekans aralığında hassastır. onlarca Hertz’den birkaç kilo-Hertz’e kadar Bu, onları birkaç on güneş kütlesinin karadelik birleşmeleri gibi kaynaklara karşı hassas kılar.

“Ancak, süper kütleli kara delikler (>10^6 güneş kütlesi) gibi çok daha büyük nesnelerin galaksilerin merkezinde var olduğu biliniyor. Bu nesnelerin birleşmesi, Dünya tabanlı dedektörlerin hassas bandının çok altında yerçekimi dalgaları üretiyor. Bunları görmek için uzaya gitmeli ve LISA gibi kol uzunluğu 2,5 milyon km olan bir gözlemevi inşa etmeliyiz.”

Şimdiye kadar, gökbilimciler ikili kara deliklerin (BBH’ler) veya ikili nötron yıldızlarının (kilonova olayları) neden olduğu, ortak yörüngedeki cisimlerin sonunda birleştiği GW olaylarını tespit ettiler. Ayrıca başka birçok potansiyel kaynak olduğu ve bu olayları incelemenin Evren anlayışımızı geliştirebileceği de teorize edilmiştir. Dr. Martens, “Bunlar arasında, Büyük Patlama’dan saniyenin kesri kadar bir süre sonra süreçler sırasında üretilen ilkel yerçekimi dalgaları da var” dedi. “LISA’nın bunları tespit edebileceğini umuyoruz, ancak henüz net değil. Voyage 2050 için daha yüksek hassasiyete ve/veya farklı frekans bantlarına sahip dedektörlerin düşünülmesinin nedenlerinden biri de bu.”

Voyager 2050, Avrupa Uzay Ajansı’nın temeli ve ana “zorunlu programı” olan ajansın Bilimsel Programının bir parçası olacak en son planlama döngüsüdür. Tüm üye devletler katkıda bulunmalıdır ve bilim hedefleri, teklifler ve finansman oybirliğiyle kararlaştırılır. Bu döngüler, üye devletlerin önceliklerini önceden planlamalarına olanak tanıyan ve Avrupa bilim topluluğuna hangi araştırma alanlarının yatırım ve geliştirmeyi hak ettiğine dair net bir vizyon sağlayan uzun vadeli bir finansman ufku belirlemeyi amaçlamaktadır.

1980’lerden bu yana program, iddialı uzay görevlerini hazırlamak için gereken süre ile tutarlı olarak yaklaşık 20 yıllık döngülerle planlandı. İlk planlama döngüsü (Horizon 2000) 1984’te oluşturuldu ve 1990’ların ortalarından 21. yüzyılın başlarına kadar Güneş ve Heliosferik Gözlemevi (SOHO), Küme, Rosetta, XMM-Newton ve Herschel misyonlarına yol açan kararlardan oluşuyordu. 2005 yılında, 2015 ile 2025 yılları arasında gerçekleştirilecek olan görev önerilerini içeren yeni bir planlama döngüsü (Kozmik Vizyon) başlatıldı.

Bu, yakın zamanda başlatılan JUpiter ICy uyduları Kaşifi (JUICE) ve Gelişmiş Teleskop için Yüksek Enerji Astrofiziği (ATHENA) X-ışını gözlemevi ve 2030’larda başlaması planlanan LISA görevleri gibi görevlerin yolunu hazırladı. En son döngü olan Voyage 2050, ESA Bilim Direktörü Carole Mundell tarafından ATHENA ve LISA görevlerini takip edecek bilimsel özellikleri seçmek üzere başlatıldı. Bu görevler, özellikle işbirliği içinde oyunun kurallarını değiştirecek olsa da, Dr. Martens ve meslektaşları, LISA görevinin daha da geliştirilebileceği yollar önermektedir. Açıkladığı gibi:

“LISAmax’ın temel fikri, GW’leri LISA’nın yapabileceğinden daha düşük frekanslarda tespit etmektir. Bu frekanslara duyarlı olmak için, dedektörün lazer kolları artırılmalıdır. Daha büyük kollar, daha büyük dalga boyları ve dolayısıyla daha düşük frekanslar anlamına gelir. üç LISAmax uzay aracı, güneş-Dünya sistemindeki üçgen Lagrange noktalarına yakın yerleştirilir, bu da dedektöre 259 milyon km’lik bir kol uzunluğu verir.Karşılaştırma için, LISA’nın kollarının uzunluğu 2,5 milyon km’dir. Bu, LISAmax’ı GW’lere duyarlı hale getirir. mikro-Hertz bandı ve GW astronomisi için yeni bir pencere açıyor.”

“Genel olarak konuşursak, LISA tarafından 1 mHz’in altında ölçülebilen her kaynak, LISAmax ile yaklaşık iki kat daha iyi olan bir sinyal-gürültü oranında ölçülebilir. Makalede tartışılan bir örnek, ilham verme aşamasıdır. süper kütleli kara delik ikili dosyaları. LISA bu tür kaynakları ancak nihai birleşme olayından kısa bir süre önce görebilecekken, LISAmax bu nesneleri binlerce yıl önce gözlemleyebilir, böylece belirli parametrelerin çok daha iyi ölçülmesine olanak tanır.”

Bilimsel topluluk, GW astronomisinin geleceği için ciddi etkileri olabilecek bu kavramı araştırıyor. Tespit edilebilecek GW olaylarının aralığını genişletmenin yanı sıra, yeni nesil GW gözlemevleri daha fazla olayı kaynaklarına kadar izleyebilir. Bunun da ötesinde, astronomlar, GW’lerin fizik yasalarını keşfetmelerine, aşırı nesnelerin iç kısımlarını araştırmalarına ve hatta gezegenleri ve uyduları incelemeye yardımcı olmalarına izin vereceğini tahmin ediyor.

Dr. Martens ve meslektaşları tarafından öne sürülen öneri, Voyage 2050 programı için ESA’ya sunulan birkaç GW konseptinden biridir. Bu kavramlar, milihertz ila mikrohertz (mHz ila µ-Hz) frekans aralığındaki GW’ler için gökyüzünü araştıracak uzay tabanlı bir interferometre içerir. Bir diğeri, kara deliklerin doğası hakkında daha fazla bilgi edinmek için mHz aralığındaki GW’lere duyarlı interferometrelerin nasıl kullanılabileceğini önermektedir. Diğerleri, desihertz (dHz) aralığındaki gözlemlerin GW astronomisi için “kayıp halkayı” nasıl sağlayabileceğini gösterirken, yüksek açısal astronomi GW’leri kaynaklarına kadar izlemeye yardımcı olabilir.

İlkel yerçekimi dalgalarının incelenmesini içeren erken evrenin fiziğine yönelik araştırmalar da ESA’nın Voyage 2050 programının ana temasıdır. Bilim adamları, şişme çağında yaratılan GW’leri inceleyerek, sonunda bu erken kozmik dönemin fiziğini ve mikrofiziğini inceleyebileceklerdi.