Гравітаційні хвилі — це збурення простору-часу, які виникають, коли масивні тіла прискорено рухаються. Різні джерела випромінюють хвилі різних частот, і кожен детектор працює лише у своєму вузькому діапазоні. Наземні інтерферометри LIGO і Virgo ловлять хвилі в діапазоні від десятків герц. Майбутня космічна місія LISA націлена на мілігерцовий діапазон. Пульсарні таймінг-масиви працюють у нанометровому діапазоні частот. Між ними лишається провал.

Концепція GUEST (Gravitational Universe Exploration with Satellite Tracking) пропонує зазирнути саме в цей провал — у діапазон мікрогерц. Це частотне вікно, до якого, за словами авторів, не дотягується жоден із наявних чи запланованих детекторів на значущому рівні.

Дві сфери замість складного інтерферометра

Технічна ідея навмисно проста. У космос виводять дві щільні пасивні сфери. Пасивні означає, що на них немає активної електроніки, двигунів чи джерел живлення — лише метал і дзеркала. Поверхню сфер укривають кутовими відбивачами (cube-corner retroreflectors) — оптичними елементами, що повертають лазерний промінь точно в напрямку, звідки він прийшов.

Сфери виводять на сильно витягнуті навколоземні орбіти. Ексцентриситет — не менше 0,7 (чим більше значення, тим витягнутіша орбіта), період обертання — понад 33 години.

Далі до роботи береться наземна інфраструктура. Глобальна мережа станцій лазерної локації супутників безперервно посилає лазерні імпульси, ловить відбитий сигнал і за часом польоту обчислює відстань до сфер із високою точністю. Ця техніка вже давно застосовується для геодезії й відстеження супутників, тому GUEST спирається на наявні станції, а не потребує нового наземного сегмента.

Орбіта як детектор

Ключова ідея в тому, що самі орбіти виступають резонансним детектором. Коли крізь систему проходить гравітаційна хвиля потрібної частоти, вона ледь помітно й періодично збурює рух сфер. Ці коливання накопичуються в довгому ряді вимірів відстані. Чутливість саме в діапазоні мікрогерц виникає не з електроніки, а з підібраних параметрів орбіти — періоду та ексцентриситету.

Тому час спостереження тут критичний. Мінімальний термін роботи місії — 10 років, а очікувана повна тривалість — близько 30 років. Довгий ряд даних потрібен, щоб виокремити слабкий гравітаційний сигнал з-поміж інших збурень.

Не лише хвилі: широка наукова програма

Автори підкреслюють, що з того самого потоку даних можна отримати науку одразу в кількох галузях — від фізики частинок до геодезії.

Серед заявлених цілей — перший узгоджений пошук гравітаційних хвиль від подвійних надмасивних чорних дір у мікрогерцовому діапазоні. Також дослідження реліктового (первинного) гравітаційного фону в тому енергетичному проміжку, який лежить між можливостями пульсарних таймінг-масивів і LISA.

Окремий напрям — пошук надлегкої темної матерії в області параметрів, недосяжній для інших експериментів, а також пошук надлегких бозонів. Крім того, місія обіцяє на порядок точніші перевірки нових гравітаційних взаємодій на астрономічних відстанях і суттєве покращення абсолютного визначення GM Землі — величини, що лежить в основі глобальної системи геодезичних спостережень і майбутніх навігаційних та спостережних місій.

Орбіти самі діють як резонансні детектори осциляційних гравітаційних збурень, і мікрогерцова чутливість виникає з обраних орбітальних параметрів.

Наразі GUEST — це концепція, викладена у формі білого паперу з обґрунтуванням, науковими можливостями та описом місії. До запуску сфер шлях довгий. Але сама пропозиція цілиться в частотне вікно, яке досі лишалося практично неохопленим.