LISA (, «лазерно-інтерферометрична гравітаційна антена») — запланована європейська космічна місія для виявлення та вимірювання гравітаційних хвиль від астрономічних джерел. LISA стане першою спеціалізованою космічною гравітаційно-хвильовою обсерваторією. Вона має на меті безпосередньо вимірювати гравітаційні хвилі за допомогою лазерної інтерферометрії. Концепція LISA передбачає три космічні апарати, розташовані у вигляді рівностороннього трикутника зі стороною 2,5 мільйона кілометрів, які рухаються по геліоцентричній орбіті, близькій до земної. Відносне прискорення між супутниками точно вимірюють, щоб зафіксувати проходження гравітаційної хвилі, — збурення простору-часу, що поширюється зі швидкістю світла.
Можливими джерелами сигналів є злиття надмасивних чорних дір у центрах галактикSee sect. 5.2 in , масивні чорні діри, навколо яких обертаються малі компактні об'єкти (так звані системи з екстремальним співвідношенням мас)See sect. 4.3 in , подвійні системи компактних зірSee sect. 3.3 in , субзоряні об'єкти, що обертаються навколо таких систем, а також, імовірно, інші джерела космологічного походження, такі як невдовзі після Великого вибухуSee sect. 7.2 in , а також гіпотетичні астрофізичні об'єкти, такі як космічні струни та доменні стінкиSee sect. 1.1 in .
Історія
Відбір і концептуальна розробка місії Перші проєктні дослідження космічного детектора гравітаційних хвиль виконали у 1980-х роках під назвою LAGOS (, «лазерна антена для спостереження гравітаційного випромінювання в космосі»). Уперше місію LISA запропонували ЄКА на початку 1990-х років: спочатку як кандидата циклу M3, а згодом як «флагманську місію» програми «Horizon 2000 plus». Упродовж десятиліття проєкт уточнювали, і зрештою він набув вигляду трикутної конфігурації з трьох космічних апаратів із трьома плечима довжиною по 5 млн км. 1997 року цю місію запропонували як спільний проєкт ЄКА та НАСА.
У 2000-х роках спільну місію ЄКА/НАСА LISA визначили кандидатом на місце L1" у програмі ЄКА «Cosmic Vision 2015—2025». Однак через скорочення бюджету на початку 2011 року НАСА оголосило, що не братиме участі в жодній місії класу L ЄКА. Попри це, ЄКА вирішило продовжити програму й доручило кандидатам на L1 підготувати здешевлені варіанти, які можна реалізувати в межах бюджету ЄКА. У відповідь розробники запропонували спрощену версію LISA лише з двома плечима по 1 млн км під назвою NGO (, «гравітаційно-хвильова обсерваторія нового/наступного покоління»). Хоча NGO отримала найвищу оцінку за науковим потенціалом, ЄКА вирішило реалізувати в якості L1 місію JUICE до супутників Юпітера. Однією з головних причин стало те, що місія LISA Pathfinder зазнавала технічних затримок, через що було незрозуміло, чи встигне технологія до запланованого запуску L1.
Невдовзі ЄКА оголосило про відбір тематик для місій великого класу () L2 і L3 за програмою Cosmic Vision. Тему сформулювали як «Гравітаційний Всесвіт» (), а зменшений варіант NGO перейменували на eLISA як умовну демонстраційну місію. У листопаді 2013 року ЄКА оголосило, що обрало тему «Гравітаційний Всесвіт» для слота L3 (очікуваний запуск у 2034 році). Після успішного виявлення гравітаційних хвиль наземними детекторами LIGO у вересні 2015 року НАСА висловило зацікавленість знову приєднатися до місії як молодший партнер. У відповідь на оголошення ЄКА про подання пропозицій для місії L3 у тематиці «Гравітаційний Всесвіт», у січні 2017 року подали проєкт детектора з трьома плечима по 2,5 мільйона кілометрів, знову під назвою LISA. 20 червня 2017 року запропонована місія отримала схвалення як проєкт для реалізації у 2030-х роках і була затверджена як одна з основних наукових місій ЄКА.
LISA Pathfinder
Тим часом, 2015 року запустили тестову місію ЄКА під назвою LISA Pathfinder для перевірки технології, необхідної для розміщення тестової маси в майже ідеальних умовах вільного падіння. LISA Pathfinder складалася з одного космічного апарата з одним із плечей інтерферометра LISA, укороченим приблизно до 38 см, щоб він помістився всередині космічного апарата. 22 січня 2016 року космічний апарат досяг своєї робочої точки на геліоцентричній орбіті в точці Лагранжа L1. Наукові дослідження розпочалися 1 березня 2016 року. Мета LISA Pathfinder полягала в тому, щоб продемонструвати рівень шуму в 10 разів вищий, ніж необхідний для LISA. Однак LISA Pathfinder значно перевищив цю ціль, наблизившись до рівня вимог LISA до шуму. Місія завершилася 30 червня 2017 року, успішно продемонструвавши технологію побудови майбутньої обсерваторії LISA.
Розробка і створення апаратури 25 січня 2024 року ЄКА офіційно затвердило місію LISA, що означало перехід від концептуального проєктування до розробки апаратури. У межах відновленої участі НАСА надає лазерні системи, телескопи та пристрої керування зарядом, які є критично важливими для виявлення гравітаційних хвиль. Це рішення засвідчило, що технології місії досягли достатнього рівня зрілості для початку повномасштабного виготовлення космічних апаратів та інструментів. У березні 2024 року НАСА та ЄКА підписали меморандум про взаєморозуміння, який офіційно визначив роль НАСА у постачанні ключових компонентів місії. Станом на січень 2024 року запуск LISA планували на 2035 рік за допомогою ракети Ariane 6, що на два роки раніше, ніж повідомляли раніше.
2025 року участь НАСА в LISA знову опинилася під питанням після того, як республіканська адміністрація оприлюднила бюджетний запит НАСА на 2026 фінансовий рік, який передбачав значні скорочення наукових програм агентства. Директорка з науки ЄКА заявила, що LISA входить до трійки місій ЄКА (разом із EnVision та ), які найбільше постраждають від можливого скорочення бюджету з боку США, і що знадобляться «заходи з відновлення». Водночас підготовка з європейського боку тривала, і в червні 2025 року ЄКА та підписали угоду про завершення проєктування трьох космічних апаратів і початок їхнього виготовлення, що ознаменувало перехід до промислової фази розробки місії. Пізніше в червні 2025 року Thales Alenia Space підписала контракт з OHB System на розробку низки ключових елементів LISA. Заплановану дату запуску 2035 року залишили без змін. У січні 2026 року Thales Alenia Space уклала ще один контракт з OHB System на постачання підсистеми руху для LISA.
Технологія
Будова інтерферометра Основною науковою метою місії LISA є вимірювання гравітаційних хвиль, створених такими астрономічними джерелами, як масивні чорні діри і компактні подвійні зоряні системи. LISA спостерігатиме гравітаційні хвилі, вимірюючи диференціальні зміни довжини своїх плечей за допомогою лазерної інтерферометрії . Кожен із трьох космічних апаратів LISA містить два телескопи, два лазери та дві тестові маси, розташовані у двох оптичних вузлах, спрямованих на два інші космічні апарати. Тестовими масами будуть кубики розміром 46 мм, виготовлені зі щільного немагнітного сплаву золота та платини із золотим покриттям, масою приблизно 2 кг. Вони не будуть закріплені всередині супутника, а перебуватимуть у вільному стані.
Супутники мають обмінюватися сигналом, фаза якого буде вимірюватися методом гетеродинної інтерферометрії. Потужний пучок (близько 1,5 Вт) з довжиною хвилі 1,064 мкм посилається до іншого супутника через чотирьохдзеркальний телескоп. Водночас тим же телескопом приймається пучок від іншого супутника (потужністю близько 500 пВт) в іншій поляризації та з дещо іншою довжиною хвилі (суть гетеродинної інтерферометрії). Вимірювання фази інтерференції отриманого і локального пучка (3 мВт) виконується за допомогою синхронного підсилювача.
Орбітальний рух Таким чином, вони утворюють інтерферометра Майкельсона, кожен із яких центрований на одному з апаратів, а тестові маси визначають кінці плечей . Усе це угруповання трьох супутників, вдесятеро більше за розміром за орбіту Місяця, перебуватиме на геліоцентричній орбіті на такій же відстані від Сонця, що й Земля, але відставатиме від Землі на 20 градусів. Орбітальні площини трьох апаратів будуть нахилені відносно екліптики приблизно на 0,33°, унаслідок чого площина трикутного угроповання апаратів буде нахилена на 60° до площини екліптики . Середня лінійна відстань між угропованням і Землею становитиме 50 мільйонів кілометрів.
Щоб усунути негравітаційні сили, такі як світловий тиск і сонячний вітер, що діють на тестові маси, кожен космічний апарат сконструйовано як . Тестова маса вільно плаває всередині, фактично, перебуваючи у вільному падінні, тоді як космічний апарат навколо неї поглинає всі локальні негравітаційні сили. Потім, використовуючи ємнісні датчики для визначення положення космічного апарата відносно маси, дуже точні двигуни регулюють рух космічного апарата так, щоб він слідував за масою, зберігаючи її в центрі .
Довжина плеча Довжина плеча інтерферометра визначає частотний діапазон, в якому LISA може робити спостереження. Чим довші плечі, тим чутливішим є детектор до довгоперіодичних гравітаційних хвиль, але натомість зменшується його чутливість до довжин хвиль, коротших за довжину плеча. Довжина плеча 2 500 000 км становлять світлових секунд, або 0,12 Гц, — значно нижчі частоти, ніж для LIGO, який досягає максимальної чутливості на частотах близько 500 Гц. Оскільки супутники перебувають у вільному польоті, відстань між ними легко змінити до запуску; верхні межі визначаються розмірами телескопів на кінцях інтерферометра (які обмежені розміром головного обтічника ракети-носія) та стабільністю орбіти сузір'я апаратів (більші конфігурації чутливіші до гравітаційного впливу інших планет, що обмежує тривалість місії). Іншим фактором, що залежить від довжини та потребує компенсації, є «кут випередження» між вхідним і вихідним лазерними променями: телескоп повинен отримувати вхідний промінь з місця, де кілька секунд тому був його партнер, але відправляти вихідний промінь туди, де його партнер буде через кілька секунд.
Початковий проєкт LISA 2008 року передбачав довжину плечей 5 млн км. Після скорочення проєкту до eLISA у 2013 році запропонували плечі довжиною 1 мільйон кілометрів. У затвердженому проєкті LISA 2017 року довжина плечей становить 2,5 млн км.
Принцип виявлення
Як і більшість сучасних детекторів гравітаційних хвиль, LISA заснована на лазерній інтерферометрії. Її три супутники утворюють гігантський інтерферометр Майкельсона, в якому два супутники відіграють роль відбивачів, а один «головний» супутник — джерела та спостерігача. Коли через інтерферометр проходить гравітаційна хвиля, довжини двох плечей LISA змінюються внаслідок викривлення простору-часу. Коливання відстані вимірюються з точністю до 40 пм (усереднене за одну секунду), що в поєднанні з великою відстанню між космічними апаратами дозволяє LISA виявляти деформації, спричинені гравітаційними хвилями з високою точністю. На практиці LISA вимірює відносний зсув фаз між одним локальним лазером і одним віддаленим лазером за допомогою інтерференції світла. Порівняння спостережуваної частоти лазерного променя (зворотний промінь) і локальної частоти лазерного променя (відправлений промінь) визначає параметри хвилі. Принцип лазерно-інтерферометричних міжсупутникових вимірювань відстані був успішно реалізований у лазерному інтерферометрі GRACE Follow-On.
На відміну від наземних гравітаційно-хвильових обсерваторій, LISA не може підтримувати свої плечі «зафіксованими» на сталій довжині. Натомість відстані між супутниками істотно змінюються протягом річного оберту, і детектор має безперервно відстежувати ці зміни, рахуючи мільйони довжин хвиль, на які змінюється відстань щосекунди. Після цього сигнали розділяють у частотній області: зміни з періодами менше доби становлять інтерес, тоді як зміни з періодами місяць і більше є нерелевантними.
З цих технічних причин LISA не може використовувати високоточні резонансні порожнини Фабрі — Перо та системи рециркуляції сигналу, які використовують наземні детектори, що обмежує точність вимірювання довжини. Однак, оскільки довжина плеча у LISA в мільйон разів більша, то й зсуви, які можна виявити, також значно більші.
Наукові цілі