TianQin: Шесть степеней свободы для разгадки тайн черных дыр

Китайские ученые разработали новый сенсор для космической обсерватории гравитационных волн, которая станет частью проекта TianQin. Сенсор, описанный в исследовании, опубликованном 6 июня в журнале IEEE Sensors , имеет шесть степеней свободы и предназначен для обнаружения гравитационных волн в космосе.

Гравитационные волны, представляющие собой рябь в пространственно-временной ткани, имеют огромное значение для понимания вселенной. Они могут помочь исследовать эволюцию плотных бинарных звездных систем, подтвердить существование массивных черных дыр и понять их формирование, изучить происхождение ранней вселенной и проверить теории, связанные с гравитацией.

Наземные детекторы гравитационных волн, такие как LIGO, могут обнаруживать волны только на высоких частотах, из-за чувствительности к вибрациям земли и влиянию гравитации Земли. Космические детекторы, напротив, будут лишены этих ограничений и смогут улавливать более широкий диапазон частот. Ма Хонг, профессор Хуачжунского университета науки и технологии в Ухане, отмечает, что космические детекторы будут более чувствительны к гравитационным волнам в среднем и низком частотных диапазонах.

Проект TianQin , запуск которого планируется в середине 2030-х годов, будет состоять из трех идентичных спутников, расположенных на высоте около 100,000 километров над Землей, образуя почти идеальный равносторонний треугольник. Ключевым элементом работы обсерватории будет точное измерение расстояний между спутниками с помощью лазеров, отражаемых от свободно плавающих кубов из сплава золота и платины внутри инерциальных сенсоров спутников.

Если произойдет изменение расстояния между тестовыми массами в двух спутниках, это укажет на наличие гравитационной волны. Для детектирования таких незначительных изменений необходим высокочувствительный сенсор, разработанный командой Ма.

Этот емкостной сенсор имеет шесть независимых каналов для измерения смещения тестовой массы в шести направлениях. Важным аспектом является то, что блок управления устройством был спроектирован для компенсации микропомех, вызванных факторами, такими как вибрации космического аппарата, солнечный ветер и давление солнечной радиации.

Команда разработала новое программное обеспечение для обработки данных сенсорной цепи. По словам Ма, эта цепь обладает преимуществами в отношении шума и согласованности каналов, а также не требует аналоговой демодуляции и аналогового локального генератора, что значительно улучшает стабильность и надежность устройства.

Первые тесты сенсора показали его способность обнаруживать емкость в миллигерцевом диапазоне, что является важнейшим требованием для подобных устройств. На этой частоте ученые смогут обнаруживать гравитационные волны от ранней вселенной и массивных черных дыр, чья масса превышает солнечную в десятки миллионов раз.

Однако сенсор требует дополнительной доработки, особенно для обеспечения согласованной работы всех шести каналов. Это важно для долгосрочной функциональности детектора в космосе, и команда Ма планирует работать над этим вопросом в будущих исследованиях.

У команды есть время для завершения дополнительного исследования до запуска TianQin в середине 2030-х годов. В то же время Европейское космическое агентство разрабатывает свой детектор, Laser Interferometer Space Antenna (LISA), с аналогичными сроками запуска.