Концепция LISA (Laser Interferometer Space Antenna) представляет собой принципиально новый подход к детектированию гравитационных волн с низкой частотой (от 0,1 мГц до 1 Гц), недоступной наземным интерферометрам типа LIGO или Virgo. Основная идея заключается в использовании трёх космических аппаратов, образующих равносторонний треугольник с длиной сторон около 2,5 миллионов километров, которые взаимодействуют посредством лазерных интерферометрических измерений.
Гравитационные волны вызывают крошечные колебания расстояний между свободнопадающими телами, и в случае LISA это расстояние фиксируется между пространственными “тестовыми массами” внутри каждого спутника. Ключевым преимуществом космического базирования является отсутствие сейсмического шума и атмосферных возмущений, которые ограничивают чувствительность наземных детекторов на низких частотах.
1. Космические аппараты и орбитальная конфигурация Три спутника LISA располагаются по орбите вокруг Солнца, образуя треугольник, который медленно вращается и сохраняет ориентацию относительно Солнца. Такое расположение позволяет покрывать широкую часть неба и отслеживать источники гравитационных волн с высокой точностью.
2. Тестовые массы Каждый спутник содержит по два свободнопадающих кубических тестовых тела из золота и платины. Эти массы находятся в вакуумной камере, изолированной от всех внешних воздействий. Движение этих масс используется как эталон, относительно которого измеряются изменения расстояний, вызванные проходящей гравитационной волной.
3. Лазерная система и интерферометр Лазеры с высокой стабильностью частоты обеспечивают передачу света между спутниками. Интерферометр фиксирует фазовые сдвиги лазерного излучения, которые напрямую связаны с изменением расстояний между тестовыми массами. Особенность LISA заключается в том, что длина плеч значительно превышает размеры наземных интерферометров, что делает систему чувствительной к волнам с очень низкой частотой.
4. Система компенсации дрейфа и шумов Ключевой вызов заключается в удержании тестовых масс в состоянии идеального свободного падения. Для этого используются электростатические подвески, активные системы позиционирования спутников и датчики инерциального движения, позволяющие минимизировать воздействие солнечного давления, микрометеоритов и тепловых градиентов.
LISA использует методику межспутниковой лазерной интерферометрии с фазовым считыванием.
Так как амплитуда низкочастотных гравитационных волн чрезвычайно мала (порядка 10^-21 для источников в дальнем космосе), точность фазового измерения должна быть на уровне пикометров и лучше. Для этого используется технология Time-Delay Interferometry (TDI), которая позволяет компенсировать дрейф лазеров и орбитальные эффекты.
Основное преимущество LISA — возможность регистрировать гравитационные волны с частотами от 0,1 мГц до 1 Гц. В этом диапазоне находятся сигналы, формируемые:
Наземные интерферометры ограничены низкочастотным порогом примерно 10 Гц, поэтому LISA дополняет их, расширяя охват диапазона и позволяя проводить мультичастотную астрономию гравитационных волн.
Каждый из этих вызовов требует сочетания передовых технологий: оптики с экстремальной стабильностью, сверхточной навигации и вычислительных алгоритмов для анализа длинных временных рядов данных.