Taiji-1 — первый шаг Китая к космическому гравитационному телескопу

Академия Наук Китая проводит испытания нового исследовательского спутника Taiji-1 на низкой околоземной орбите. Этот орбитальный аппарат был запущен 31 августа с космодрома Цзюцюань при помощи лёгкой ракеты-носителя Kuaizhou (дословно с китайского — «быстрая лодка»). Он предназначен для испытания технологий обнаружения гравитационных волн в космосе. Этот спутник — первый космический аппарат Китая с такими задачами.

На Taiji-1 испытываются лазерные интерферометры, гравиметрические датчики с эталонной массой (gravitational reference sensor), специальная система управления ориентацией и новая спутниковая платформа с защитой от вибраций. Taiji в переводе с китайского означает «Великий Передел». Это одно из центральных понятий китайской философии, которое означает начало времени и всех начал. Символически оно обозначается всем известным круглым черно-белым символом Инь и Ян. Этот символ очень похож на то, как две нейтронные звезды или чёрные дыры кружат друг вокруг друга и испускают гравитационные волны.

В рамках программы Taiji планируется запустить ещё два спутника после 2023 года и три после 2033 года. Вместе они сформируют космический интерферометр, который сможет находить гравитационные волны с низкими частотами. Это позволит китайским учёным в будущем наблюдать более тяжёлые и удалённые друг от друга объекты.

Что такое гравитационные волны?

Гравитационные волны можно представить себе как «рябь» пространства-времени, которая, подобно кругам на воде после брошенного камня, возникает в космосе после мощнейших катастрофических событий. Они были предсказаны Альбертом Эйнштейном в 1916 году в рамках Общей теории относительности.

Главный метод поиска гравитационных волн — лазерная интерферометрия. Интерферометр Майкельсона, который используется в этом методе, состоит из источника света (лазера), светоделителя, двух зеркал и детектора. Лазерный луч из источника света разделяется светоделителем на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются на зеркалах и вновь объединяются на светоделителе. После этого они попадают на детектор и образуют интерференционную картину. Она появляется из-за сдвига фаз поляризации света, который, в свою очередь, возникает вследствие разницы расстояния между светоделителем и двумя зеркалами. По интерференционной картине можно с высокой точностью измерить расстояние до зеркал. Поскольку гравитационная волна при прохождении через интерферометр немного изменяет это расстояние, её можно зафиксировать детектором. При этом, чем выше расстояние до зеркал, которое называется плечом интерферометра, тем чувствительнее он становится к гравитационным волнам малой частоты (и большой длиной волны).

Почему такие волны важны? Частота гравитационной волны равна частоте вращения друг вокруг друга двух массивных тел, которые её создают. Ранее созданные гравитационные детекторы на Земле имели плечи длиной до 4 километров. Это позволяло обнаруживать гравитационные волны высокой частоты, которые порождаются в последние моменты перед объединением двух вращающихся массивных тел в одно. Можно сказать, что мы наблюдали гравитационную «вспышку» космической катастрофы. В космосе же интерферометр можно составить из трёх спутников, на одном из которых будет лазер, светоделитель и детектор, а два других будут играть роль зеркал. Длина плеч такого интерферометра может достигать многих миллионов километров. Кроме того, он не будет подвержен действию вибраций, которые создаются на Земле тектонической активностью, ветром и деятельностью человека.

Спутникам, тем не менее, придётся компенсировать давление солнечного ветра и гравитационное воздействие планет Солнечной Системы. Делать это они будут при помощи специального гравиметрического датчика с эталонной массой. Принцип работы такого датчика заключается в наблюдениях за изменением положения эталонной массы, которая свободно летает в изолированной полости внутри прибора. Если она сместилась относительно центра полости, значит, на космический аппарат подействовали внешние силы, которые отклонили его положение от идеальной траектории. Её коррекция проводится с помощью электрических ракетных двигателей.

С помощью такого космического интерферометра можно будет наблюдать за вращением двойных систем черных дыр, пульсаров и массивных звёзд, находящихся за миллиарды световых лет от нас, и изучать их эволюцию. Это на порядки расширит возможности новой науки — гравитационно-волновой астрономии, которая появилась с наблюдением первой гравитационной волны.

Гравитационные волны, однако, чрезвычайно слабы. Чувствительность китайской аппаратуры пока не достаточна для работы космического интерферометра из нескольких спутников. Taiji-1 запущен, чтобы испытать технологии, которые необходимы учёным Поднебесной для создания такой системы.

На спутнике уже были проведены самые точные для Китая интерферометрические измерения и испытана система управления ориентацией, а также опробованы новые электрические ракетные двигатели и гравиметрические датчики. Интерферометрия позволила измерять расстояние до зеркал с точностью порядка 100 пикометров (одна триллионная часть метра). Это эквивалентно размеру атома. Гравиметрические датчики с эталонной массой смогли определить ускорение, которое создаётся полем притяжения Земли, с точностью до десяти знаков после запятой. того достаточно, чтобы, например, измерить силу притяжения, которая создаётся муравьём, если бы он летел рядом со спутником. Точность изменения тяги электроракетного двигателя составила приблизительно 30 миллиньютонов. Это в десять тысяч раз меньше, чем сила тяжести, которая действует на кунжутное зерно.

К сожалению, для обнаружения гравитационных волн в космосе даже такой точности недостаточно. Следующее поколение спутников во втором этапе программы будет использовать технологии, которые испытываются на Taiji-1. Оно сможет превзойти своего предшественника. Помимо этой программы, Китай планирует в ближайшие 3-4 года запустить в космос ещё несколько научных спутников. Аппарат GECAM будет искать послесвечение источников гравитационных волн. Новая солнечная обсерватория ASO-S проведёт гелиофизические исследования. Кроме того, будут запущены рентгеновский телескоп Einstein Probe и спутник SMILE для изучения взаимодействия магнитосферы Земли с солнечным ветром.

Следует упомянуть весьма интересную ракету-носитель Kuaizhou, при помощи которой выводился спутник Taiji-1. Она была разработана на основе баллистической ракеты средней дальности Dong-Feng 21. Kuaizhou использует три твердотопливные ступени, а четвёртая ступень на жидком топливе интегрируется с полезной нагрузкой и является частью выводимого спутника. Эта ракета чрезвычайно проста при подготовке к запуску. Его может осуществить за 24 часа персонал из 6 человек с мобильной ракетной пусковой установки на базе грузовика.

Источник: m.vk.com