Forskare upptäckte den första länge förutspådda gravitationsvågen 2015, och sedan dess har forskare hungrat efter bättre detektorer. Men jorden är varm och seismiskt bullrig, och det kommer alltid att begränsa effektiviteten hos jordbaserade detektorer.
Är månen rätt plats för ett nytt gravitationsvågsobservatorium? Det kan vara. Att skicka teleskop ut i rymden fungerade bra, och att montera ett GW-observatorium på månen kanske också, även om förslaget uppenbarligen är mycket komplext.
Det mesta av astronomi handlar om ljus. Ju bättre vi kan känna det, desto mer lär vi oss om naturen. Det är därför teleskop som Hubble och JWST är i rymden. Jordens atmosfär förvränger teleskopbilder och blockerar till och med en del ljus, som infrarött. Rymdteleskop kommer runt båda dessa problem och har revolutionerat astronomi.
Gravitationsvågor är inte lätta, men att känna av dem kräver fortfarande extrem känslighet. Precis som jordens atmosfär kan introducera "brus" i teleskopobservationer, så kan jordens seismiska aktivitet orsaka problem för gravitationsvågsdetektorer. Månen har en stor fördel jämfört med vår dynamiska, ständigt föränderliga planet:den har mycket mindre seismisk aktivitet.
Vi har vetat sedan Apollo-dagarna att månen har seismisk aktivitet. Men till skillnad från jorden är det mesta av dess aktivitet relaterad till tidvattenkrafter och små meteoritslag. Det mesta av dess seismiska aktivitet är också svagare och mycket djupare än jordens. Det har uppmärksammats av forskare som utvecklar Lunar Gravitational-wave Antenna (LGWA).
Utvecklarna av LGWA har skrivit en ny artikel, "The Lunar Gravitational-wave Antenna:Mission Studies and Science Case", och publicerat den på arXiv förtrycksserver. Huvudförfattaren är Parameswaran Ajith, en fysiker/astrofysiker från International Center for Theoretical Science, Tata Institute of Fundamental Research, Bangalore, Indien. Ajith är också medlem i LIGO Scientific Collaboration.
Ett gravitationsvågsobservatorium (GWO) på månen skulle täcka ett gap i frekvenstäckning.
"Med tanke på månens storlek och det förväntade bruset som produceras av månens seismiska bakgrund, skulle LGWA kunna observera GW från cirka 1 mHz till 1 Hz", skriver författarna. "Detta skulle göra LGWA till den felande länken mellan rymdburna detektorer som LISA med toppkänslighet runt några millihertz och föreslagna framtida markbundna detektorer som Einstein Telescope eller Cosmic Explorer."
Om den byggdes skulle LGWA bestå av en uppsättning av detektorer i planetarisk skala. Månens unika förhållanden kommer att göra det möjligt för LGWA att öppna ett större fönster till gravitationsvågsvetenskap. Månen har extremt låg seismisk bakgrundsaktivitet som författarna beskriver som "seismisk tystnad." Bristen på bakgrundsljud kommer att möjliggöra mer känsliga upptäckter.
Månen har också extremt låga temperaturer inuti sina permanent skuggade områden (PSR). Detektorer måste vara superkylda, och de kalla temperaturerna i PSRs gör den uppgiften lättare. LGWA skulle bestå av fyra detektorer i en PSR-krater vid en av månens poler.
LGWA är en ambitiös idé med en potentiellt spelförändrande vetenskaplig utdelning. När det kombineras med teleskop som observerar över det elektromagnetiska spektrumet och med detektorer för neutrino och kosmisk strålning – kallad multi-budbärarastronomi – kan det främja vår förståelse av en mängd kosmiska händelser.
LGWA kommer att ha några unika möjligheter för att upptäcka kosmiska explosioner. "Endast LGWA kan observera astrofysiska händelser som involverar WDs (vita dvärgar) som tidvattenavbrottshändelser (TDE) och SNe Ia," förklarar författarna. De påpekar också att endast LGWA kommer att kunna varna astronomer veckor eller till och med månader innan solmassans kompakta binärer, inklusive neutronstjärnor, går samman.
LGWA kommer också att kunna upptäcka lättare mellanmassa svarta hål (IMBH) binärer i det tidiga universum. IMBH spelade en roll i att bilda dagens supermassiva svarta hål (SMBH) i hjärtat av galaxer som vår egen. Astrofysiker har många obesvarade frågor om svarta hål och hur de har utvecklats och LGWA borde hjälpa till att svara på några av dem.
Double White Dwarf (DWD) sammanslagningar utanför vår galax är en annan sak som LGWA ensam kommer att kunna känna av. De kan användas för att mäta Hubble-konstanten. Under decennierna har forskare fått mer förfinade mätningar av Hubble-konstanten, men det finns fortfarande avvikelser.
LGWA kommer också att berätta mer om månen. Dess seismiska observationer kommer att avslöja månens inre struktur i mer detalj än någonsin. Det finns mycket som forskare fortfarande inte vet om dess bildning, historia och evolution. LGWA:s seismiska observationer kommer också att belysa månens geologiska processer.
LGWA-uppdraget utvecklas fortfarande. Innan det kan implementeras måste forskarna veta mer om var de planerar att placera det. Det är där det preliminära Soundcheck-uppdraget kommer in.
År 2023 valde ESA Soundcheck till sin reservpool av vetenskapsaktiviteter för månen. Soundcheck kommer inte bara att mäta seismisk ytförskjutning, magnetiska fluktuationer och temperatur, det kommer också att vara ett teknikdemonstrationsuppdrag. "Verifieringen av Soundcheck-tekniken fokuserar på driftsättning, tröghetssensormekanik och utläsning, termisk hantering och plattformsutjämning", förklarar författarna.
Inom astronomi, astrofysik, kosmologi och relaterade vetenskapliga strävanden verkar det alltid som om vi befinner oss på branten av nya upptäckter och en ny förståelse av universum och hur vi passar in i det. Anledningen till att det alltid verkar så är för att det är sant. Människor blir bättre och bättre på det, och GW-vetenskapens tillkomst och blomstring exemplifierar det, även om vi precis har börjat. Inte ens ett decennium har gått sedan forskare upptäckte sin första GW.
Vart ska det gå härifrån?
"Trots denna välutvecklade färdplan för GW-vetenskap är det viktigt att inse att utforskningen av vårt universum genom GWs fortfarande är i sin linda", skriver författarna i sin tidning. "Förutom den enorma påverkan som förväntas på astrofysik och kosmologi, har detta område en stor sannolikhet för oväntade och grundläggande upptäckter."
Mer information: Parameswaran Ajith et al, The Lunar Gravitational-wave Antenna:Mission Studies and Science Case, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2404.09181
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av Universe Today
