За последнее столетие череда вновь изобретенных телескопов позволила нам воссоздать историю Вселенной. На сколько точную - покажут дальнейшие наблюдения, но мы уже в состоянии выдвигать теоретически обоснованные гипотезы, поясняющие как прошлое, так и будущее материального мира, в котором живем.

В настоящее время запускается совершенно новый класс телескопов: гравитационные телескопы, которые измеряют волны в самой ткани пространства-времени. Такие телескопы чрезвычайно сложно и дорого построить. Поэтому некоторые ученые предлагают использовать Луну, чтобы заглянуть в далекие истоки нашей Вселенной.

Астрофизика и космология полностью основаны на наблюдениях с помощью телескопов, регистрирующих волны от удаленных объектов. Так, рентгеновские телескопы обнаруживают черные дыры и вращающиеся нейтронные звезды, пронизывающие пространство свирепыми пучками высокой энергии. Ультрафиолетовые и видимые волны показывают жизненный цикл звезд и расширение Вселенной.

Такие приборы, как "Хаббл", создают инфракрасные фотографии, позволяющие заглянуть глубоко в туманности и обнаружить горячие экзопланеты. Микроволновое излучение позволяет определить возраст Вселенной. Такого рода измерения охватывают обширный спектр электромагнитных волн, каждый из которых обладает одной и той же базовой структурой.

Гравитационно-волновая астрономия измеряет пульсации в самом пространстве-времени. В отличие от большинства областей электромагнитной астрономии, ГВ-астрономия чрезвычайно молода. Первые гравитационные волны были обнаружены в 2015 году. Они возникли в результате инспирации, слияния и выключения двух черных дыр, столкнувшихся миллиард лет назад. Возмущение в пространстве-времени, которое достигло Земли, было всего лишь около одной тысячной ширины протона, и все же Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) смогла его увидеть. Это поразительное достижение сразу же получило Нобелевскую премию по физике.

Это первое открытие - лишь верхушка айсберга. Гравитационные волны различной частоты, величины и формы распространяются по всей Вселенной. Подобно тому, как возникают сигналы во всем электромагнитном спектре, появляется и широкий спектр различных сигнатур ГВ.

Здесь мы подходим к новой работе, опубликованной на прошлой неделе в журнале Physical Review Letters. В статье отмечается, что определенный диапазон частот ГВ - примерно микрогерц (или один пик волны на миллион секунд) - может быть использован, помимо прочего, для ограничения так называемого стохастического гравитационно-волнового фона. Это фоновый шум сигналов ГВ, состоящий из слабых, случайных волн различных типов, перемешанных вместе. Он похож на статический звук отстроенного радиоприемника или на мерцающее изображение серого снега на аналоговом телевизоре без входного сигнала. Измерение уровня этого фонового шума позволит увидеть космологические фазовые переходы первого порядка.

В самом начале истории Вселенной в маленьком объеме содержалось так много энергии, что частицы и силы, которые мы знаем сегодня, еще не могли существовать. По мере охлаждения и расширения Вселенной могли произойти еще несколько фазовых переходов, достаточных для того, чтобы известные нам сегодня частицы сконденсировались и остыли - подобно тому, как капли воды конденсируются из туманного воздуха.

Затем вновь образовавшиеся частицы начали взаимодействовать под руководством четырех фундаментальных сил, на которых, по-видимому, держится современная Вселенная. Прохождение этого фонового шума ГВ может быть обнаружено в очень малых отклонениях орбит небесных тел. В статье предлагаются три набора орбитальных тел, которые можно исследовать для анализа сигналов ГВ, которые они ищут.

Чтобы измерить расстояние до небесного объекта, ученые запускают лазерный импульс с поверхности Земли в космос. Фотоны, испускаемые лазером, летят по прямой линии со скоростью света, пока не столкнутся с чем-нибудь. Если они отражаются обратно, мы можем измерить время, затраченное на путешествие: разделите это время на c, и вы получите пройденное расстояние. Разделите еще раз пополам, и это будет расстояние до небесного объекта.

На Луне находятся пять отражателей, установленных астронавтами "Аполлона". Это ретрорефлекторы, специально разработанные и тщательно обработанные, чтобы отражать свет обратно в том же направлении, откуда он пришел. Путешествие на Луну, занявшее у астронавтов три дня, требует от фотона чуть больше одной секунды. С помощью этих светоотражателей расстояние между Землей и Луной непрерывно измерялось с точностью до одного дюйма в течение 50 лет.

LAGEOS - это искусственная сфера, запущенная на орбиту в 1970-х годах, поверхность которой украшена 426 светоотражателями. Это чрезвычайно простой спутник, не требующий ни движущихся частей, ни источника энергии, ни связи. Единственная задача LAGEOS - отражать. В статье предсказывается, что если расстояние Луны от Земли может быть измерено с точностью до 0,1 мм, то мы способны увидеть флуктуации, которые способны выявить шумовой фон ГВ в остывающей Вселенной.

Авторы считают, что такое измерение, скорее всего, возможно с помощью сегодняшней технологии. Недавнее предложение по созданию нового телескопа, способного проводить такие же измерения, предполагает созвездие из шести космических аппаратов, расположенных на расстоянии сотен миллионов миль друг от друга. Но зачем ее строить, если у нас есть Луна?