Ludzkość czekała na to 110 lat: kosmiczna misja rusza, by poszukiwać fal grawitacyjnych Einsteina.

Trzy ciche maszyny już wkrótce polecą w trójkątnej formacji wokół Słońca, nasłuchując subtelnych zmarszczek w samej czasoprzestrzeni.

Podczas gdy większość misji kosmicznych ściga światło, ta celuje w coś znacznie dziwniejszego: drobne drżenia grawitacyjne przewidziane przez Alberta Einsteina ponad sto lat temu, wciąż ledwie uchwytne dla ludzkości.

Misja, która zamienia matematykę Einsteina w kosmiczny mikrofon

Laser Interferometer Space Antenna Europejskiej Agencji Kosmicznej, lepiej znana jako LISA, ma prosty, ale zuchwały cel: mierzyć, jak tkanina Wszechświata rozciąga się i ściska, gdy poruszają się masywne obiekty.

Fale grawitacyjne po raz pierwszy przewidziano w 1916 roku. Powstają, gdy niezwykle ciężkie ciała - takie jak czarne dziury lub gwiazdy neutronowe - przyspieszają i zaburzają samą czasoprzestrzeń. Na Ziemi obserwatoria takie jak LIGO i Virgo już uchwyciły część tych sygnałów, głównie z gwałtownych zderzeń czarnych dziur o masach gwiazdowych.

Ziemia jest jednak hałaśliwym miejscem. Drgania sejsmiczne, aktywność człowieka i przyciąganie naszej planety ograniczają to, co mogą usłyszeć detektory naziemne. Są one dostrojone do „wysokich tonów” fal grawitacyjnych trwających ułamki sekundy.

LISA celuje w coś wolniejszego i głębszego. W kosmosie, wolna od szumów gruntu i dysponująca gigantycznym instrumentem rozciągniętym na miliony kilometrów, będzie nasłuchiwać fal niskoczęstotliwościowych, które nigdy nie docierają do detektorów naziemnych.

LISA nie będzie patrzeć dalej w kosmos - będzie słuchać inaczej, otwierając zupełnie nową część widma grawitacyjnego.

Te niskie tony niosą informacje o najbardziej ekstremalnych zdarzeniach w dziejach kosmosu, w tym o zlewaniu się supermasywnych czarnych dziur miliony razy cięższych od Słońca, a być może także o echach z bardzo młodego Wszechświata - na długo przed powstaniem pierwszych gwiazd.

Trzy satelity, jeden gigantyczny trójkąt w przestrzeni

LISA będzie składać się z trzech identycznych statków kosmicznych tworzących ogromny trójkąt równoboczny, o boku długości około 2,5 miliona kilometrów. Trio będzie okrążać Słońce w „konwoju” razem z Ziemią, podążając za naszą planetą lub ją wyprzedzając na orbicie.

Pomiędzy każdą parą satelitów ultrastabilne wiązki laserowe będą nieprzerwanie mierzyć odległość z oszałamiającą precyzją. Inżynierowie celują w zmiany rzędu kilku pikometrów. Pikometr to bilionowa część metra - znacznie mniej niż rozmiar większości atomów.

Na tym poziomie zagrożeniem staje się wszystko: nacisk światła słonecznego na statek, resztkowy gaz wewnątrz konstrukcji, mikroskopijne pola magnetyczne, a nawet własna elektronika satelitów.

Aby chronić pomiary, każdy statek będzie przenosił małą „masę testową” - blok materiału utrzymywany w stanie swobodnego unoszenia wewnątrz, osłonięty przed wszelkimi siłami niegrawitacyjnymi. Satelita musi zachowywać się niemal jak niewidzialna skorupa wokół tej masy.

Sztuczka polega nie na tym, by zmusić masę do podążania za statkiem, lecz by zmusić statek do podążania za masą.

DFACS: nauka znikania w kosmosie

Tu wchodzi jeden z najbardziej delikatnych systemów misji: Drag-Free and Attitude Control System, czyli DFACS. Jego zadaniem jest przeciwdziałanie każdemu najmniejszemu zakłóceniu działającemu na statek kosmiczny.

DFACS wykrywa, jak masa testowa porusza się względem ścian satelity. Gdy „skorupa” zaczyna dryfować, mikrosilniki wykonują delikatne impulsy, aby przywrócić ją do właściwej pozycji, a jednocześnie utrzymywać statek idealnie skierowany wzdłuż laserowych łączy do pozostałych satelitów.

Oznacza to, że napęd nie służy już wyłącznie do przemieszczania się z punktu A do B. Staje się częścią instrumentu naukowego.

Thales Alenia Space i europejskie wyzwanie ultradokładnego napędu

Europejski przemysł przekuwa tę koncepcję w sprzęt. Thales Alenia Space, w większości należący do francuskiej grupy Thales, podpisał kontrakt o wartości 16,5 mln euro z niemiecką OHB System AG na dostarczenie podsystemu napędowego LISA w obecnej fazie projektowania.

W przyszłych etapach łączna wartość kontraktu wzrośnie do około 90 mln euro. Brytyjski oddział Thales Alenia Space poprowadzi projektowanie, wytwarzanie, montaż, integrację i testy jednostek napędowych.

Kluczowymi elementami są systemy mikronapędu zdolne do niezwykle precyzyjnej kontroli ciągu. Obejmują one mikrosilniki dostarczane przez Leonardo, kolejnego dużego europejskiego gracza przemysłowego. Każdy silnik musi przez wiele miesięcy zapewniać mikroskopijne, stabilne „pchnięcia”, z niemal zerowym szumem i drganiami.

Równolegle Thales Alenia Space dostarczy awionikę, oprogramowanie sterujące, systemy łączności oraz wsparcie w zarządzaniu środowiskami elektromagnetycznymi, promieniowaniem i warunkami grawitacyjnymi wokół czułych instrumentów.

Europejska linia produkcyjna rozciągnięta ponad granicami

Sprzęt LISA odzwierciedla ściśle skoordynowany łańcuch na całym kontynencie:

• W Turynie (Włochy) inżynierowie rozwijają wczesne studia misji, dopracowując architekturę statku.
• W Gorgonzoli pod Mediolanem zespoły opracowują główny komputer pokładowy i pamięć masową jako zintegrowany moduł.
• W Szwajcarii specjaliści projektują część elektroniki naukowej oraz system przechwytywania konstelacji, który utrzymuje trójkąt połączony i wyrównany.

Ta sieć przemysłowa opiera się na dużym wysiłku naukowym prowadzonym przez krajowe agencje kosmiczne i laboratoria badawcze, przy centralnej roli francuskiej CNES.

Francuskie cyfrowe centrum nerwowe dla sześciu i pół roku nasłuchu

LISA to nie tylko precyzyjny lot w formacji. To także zrozumienie potoku danych, który będzie spływać przez co najmniej sześć i pół roku, z możliwym przedłużeniem o 2,5 roku.

CNES poprowadzi Distributed Data Processing Center - cyfrowe serce, gdzie codzienne pomiary fal grawitacyjnych z kosmosu będą zamieniane na użyteczną naukę. Główny węzeł obliczeniowy we Francji będzie koordynować pracę z ośrodkami w każdym kraju partnerskim.

Na Ziemi, w Tuluzie i gdzie indziej, francuskie laboratoria już pracują z prototypami instrumentów, aby zrozumieć jedno z największych utrapień LISA: światło rozproszone. Każde niepożądane odbicie lub rozpraszanie w układzie optycznym może łatwo zagłuszyć sygnały na poziomie pikometrów, których poszukują naukowcy.

Aby usłyszeć szept w czasoprzestrzeni, inżynierowie muszą najpierw uciszyć każdy zbłąkany foton odbijający się wewnątrz instrumentu.

Jeśli misja się powiedzie, będzie skanować pasmo częstotliwości od około 0,1 milihertza do 1 herca. Ten zakres jest niedostępny dla detektorów naziemnych i obfituje w źródła takie jak:

• zlewające się supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk,
• ciasne układy podwójnych białych karłów i inne zwarte układy gwiazdowe w naszej Drodze Mlecznej,
• oraz potencjalnie słabe ślady z pierwszych etapów historii kosmicznej.

Misje zwiadowcze, poprzednicy i redukcja ryzyka

LISA opiera się bezpośrednio na LISA Pathfinder - mniejszej misji ESA wystrzelonej w 2015 roku. Pathfinder sprawdził, czy dwie masy testowe można utrzymać w niemal idealnym swobodnym spadku wewnątrz statku kosmicznego. Wynik przekroczył oczekiwania, dowodząc, że koncepcja lotu „drag-free” jest w kosmosie wykonalna.

Misja korzysta też z europejskiego doświadczenia w długotrwałym, ultrastabilnym pozycjonowaniu z innych dużych obserwatoriów. ESA Gaia, która tworzy precyzyjny atlas 3D ponad miliarda gwiazd, oraz Euclid, zaprojektowany do badań ciemnej materii i ciemnej energii, również opierają się na napędzie i sterowaniu wysokiej precyzji.

Wnioski z tych projektów zasilają projekt LISA - od oprogramowania i kontroli orientacji po materiały i zarządzanie termiczne. To dziedzictwo obniża ryzyko techniczne, nawet jeśli zasięg naukowy LISA pozostaje ambitny.

Misja	Główna rola	Kluczowy wkład w LISA
LISA Pathfinder	Demonstrator technologii	Potwierdził sterowanie drag-free i stabilność na poziomie pikometrów
Gaia	Mapowanie Galaktyki	Doświadczenie w precyzyjnym celowaniu przez długi czas
Euclid	Kosmologia i ciemna energia	Projekt statku o wysokiej stabilności i kontrola napędu

Długie odliczanie do Ariane 6 i nowego rodzaju astronomii

Start trójki satelitów LISA jest obecnie planowany na 2035 rok na pokładzie rakiety Ariane 6. Po separacji potrzebują miesięcy, by ustabilizować ostateczną formację, stopniowo „rozciągając” swoje laserowe ramiona do pełnej długości.

Po uruchomieniu obserwatorium będzie działać jak niskoczęstotliwościowe radio fal grawitacyjnych. Niektóre sygnały, jak ciągłe fale od zwartych par gwiazd, mogą brzmieć w tle przez lata. Inne, jak zderzenia supermasywnych czarnych dziur, wywołają dramatyczne „przemiatanie” częstotliwości i amplitudy, gdy olbrzymy spiralnie zbliżają się do siebie.

Dla astrofizyków oznacza to nową warstwę informacji, uzupełniającą tradycyjne teleskopy. Światło - od fal radiowych po promieniowanie gamma - pokazuje, co robi materia. Fale grawitacyjne pokazują, jak reaguje sama czasoprzestrzeń.

Fale grawitacyjne, szum i co może pójść nie tak

Fale grawitacyjne często opisuje się jako zmarszczki poruszające się z prędkością światła. W praktyce są to mikroskopijne zmiany odległości między obiektami, wywołane przechodzącym zaburzeniem czasoprzestrzeni. Detektory naziemne potrafią już wyczuwać zmiany długości mniejsze niż średnica protonu na ramionach o długości wielu kilometrów.

LISA musi dokonać podobnego wyczynu na dystansach milionów kilometrów, z dodatkowym wyzwaniem, że każdy statek porusza się po orbicie wokół Słońca. Lasery nie tworzą idealnego, sztywnego trójkąta; nieustannie kompensują ruch względny, zmiany temperatury i dryf kierunku.

Na liście kontrolnej inżynierów znajduje się kilka ryzyk:

• Mikrosilniki mogą działać nieprawidłowo lub generować niestabilny ciąg.
• Stoły optyczne mogą mieć problemy ze światłem rozproszonym i fluktuacjami termicznymi.
• Analiza danych może zostać utrudniona przez „zatłoczone” niebo nakładających się sygnałów, zwłaszcza od licznych układów podwójnych gwiazd w naszej galaktyce.

Aby się z tym zmierzyć, zespoły uruchamiają ogromne symulacje komputerowe: wirtualne Wszechświaty wypełnione milionami potencjalnych źródeł, przepuszczane przez syntetyczne wersje potoku przetwarzania LISA. Testy te doprecyzowują zarówno wymagania sprzętowe, jak i algorytmy, które będą przesiewać rzeczywiste dane.

Co to oznacza dla zwykłych fanów kosmosu

Przeciętny człowiek nigdy nie zobaczy LISA na nocnym niebie. Będzie daleko od Ziemi - cicha i niewidzialna. Jednak jej wyniki mogą przeformułować jedne z największych pytań, jakie zadają ludzie: jak rosną galaktyki, co dzieje się, gdy zderzają się czarne dziury, i jakie ślady pozostawił wczesny Wszechświat.

Dla uczniów i pasjonatów LISA stanowi punkt odniesienia dla kilku kluczowych idei współczesnej fizyki: interferometrii, napędu kosmicznego, teorii sterowania i nauki o wielkich zbiorach danych. Projekty szkolne już wykorzystują uproszczone symulacje LISA do nauki przetwarzania sygnałów i redukcji szumu, pokazując, jak wydobyć słaby wzorzec z chaotycznego tła.

Misja pokazuje też, jak technologie kosmiczne kumulują korzyści. Mikrosilniki dopracowane do lotu drag-free mogą później służyć satelitom telekomunikacyjnym wymagającym ultrastabilnego celowania albo małym platformom obserwacji Ziemi, które potrzebują bardzo gładkich manewrów. Postępy w laserach i optyce o niskim szumie mogą zasilić komunikację kwantową lub metrologię.

W tym sensie tryptyk satelitów LISA to nie tylko ucho przyłożone do kosmicznej historii. To także poligon dla następnej generacji precyzyjnych statków kosmicznych, po cichu zmieniający to, jak inżynierowie myślą o poruszaniu się - albo niemal nieporuszaniu się - w przestrzeni.