Budowa podziemnego Teleskopu Einsteina ujęta w unijnej "mapie drogowej"

"Teleskop Einsteina" to określenie odnoszące się do projektu dużego podziemnego i najbardziej zaawansowanego jak dotąd europejskiego obserwatorium fal grawitacyjnych (trzeciej generacji). W Teleskopie Einsteina (ET) możliwości detekcji mają być znacznie większe niż w urządzeniach istniejących obecnie.

System ET ma rozciągać się, podobnie jak detektor LISA, wzdłuż trzech osi rozłożonych na planie trójkąta równobocznego, z dwoma krańcowymi odbiornikami w rogach układu. Każde z ramion instalacji ma osiągać długość 10 km (w porównaniu do 4 km w LIGO oraz 3 km w Virgo i KAGRA). Układ detektora ma zostać umieszczony w nieokreślonej jak dotąd lokalizacji pod ziemią (jednym z poważnie rozważanych miejsc jest m.in. włoska Sardynia), aby zredukować szum sejsmiczny i „zakłócenia gradientu grawitacji” powodowane przez pobliskie obiekty.

Ujęcie planowanego systemu detekcji fal grawitacyjnych przez Europejskie Forum Strategii ds. Infrastruktur Badawczych (ESFRI) w Europejskiej Mapie Drogowej Infrastruktury Badawczej 2021 (EMDIB) ogłoszono pod koniec czerwca 2021 roku. To ważny moment otwierający oficjalną ścieżkę przygotowań do rozpoczęcia tworzenia Teleskopu Einsteina (ET). „Wraz z budową ET badania astronomiczne fal grawitacyjnych wejdą w złotą erę” – uważa prof. Dorota Rosińska z Obserwatorium Astronomicznego UW, pełniącego przewodnią rolę w grupie polskich ośrodków zaangażowanych w planowanie tego europejskiego przedsięwzięcia.

Włączenie ET do planu działania ESFRI jest ważnym kamieniem milowym, ale przede wszystkim - punktem wyjścia do wdrożenia Obserwatorium Fal Grawitacyjnych Teleskopu Einsteina. Cała społeczność zainteresowana ET ma jasne cele, które będzie teraz realizować z jeszcze większym rozmachem: sfinalizowanie projektu technicznego ET, wybór miejsca ET, dalsze zdefiniowanie nauki ET i sieci obserwatoriów GW 3G, rozwój technologii ET do gotowości do instalacji, optymalizacja narzędzi do analizy danych i naukowego wykorzystania ET.

W Polsce badania związane z przygotowaniem do budowy Teleskopu Einsteina prowadzone są w ramach konsorcjum, do którego należą Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Instytut Matematyki PAN, Uniwersytet w Białymstoku oraz Politechnika Warszawska. Liderem jest Uniwersytet Warszawski.

„Projekt Teleskopu Einsteina zostanie wprowadzony w kolejną fazę. Wierzę, że nowe obserwatorium przyczyni się do rozwoju nauki dotyczącej badań nad falami grawitacyjnymi. To również przepustka do większego zaangażowania polskich instytucji badawczych oraz sektora przemysłu” – mówi prof. Tomasz Bulik z Obserwatorium Astronomicznego UW, cytowany na stronie internetowej uniwersytetu.

Teleskop Einsteina, ze swoją niezwykle wysoką czułością, stworzy okazję do nowych i nieoczekiwanych odkryć. Pozwoli wykryć wszystkie połączenia czarnych dziur o masach gwiazdowych we Wszechświecie, zbadać wnętrze gwiazd neutronowych, testować ogólną teorię względności, prowadzić badania samego początku wszechświata, a także rozwiązać wiele innych istotnych problemów naukowych z zakresu astrofizyki, kosmologii i fizyki fundamentalnej. Wraz z budową ET badania astronomiczne fal grawitacyjnych wejdą w złotą erę.

Polscy naukowcy zaangażowani w prace nad projektem Einstein Telescope zainstalowali – opracowane przez polską grupę – zoptymalizowane pod kątem pomiarów podziemnych, sieci czujników sejsmicznych w kilku potencjalnych lokalizacjach w Polsce, Hiszpanii, na Węgrzech i we Włoszech. Obecnie zajmują się szczegółową charakterystyką lokalizacji Sos Enattos na Sardynii, która obok Euregio Meuse-Rhine jest lokalizacją kandydującą do budowy teleskopu. Miejsce ma być wybrane do 2024 r. i musi uwzględniać m.in. wykonalność budowy oraz przewidywać wpływ lokalnego środowiska na czułość i działanie detektora.

Dzięki wyborowi ESFRI projekt wejdzie w fazę przygotowawczą, która przewiduje rozpoczęcie budowy w 2026 r., tak aby obserwacje były możliwe w 2035 r.

Naukowcy z wielu ośrodków na świecie zabiegają o budowę detektorów fal grawitacyjnych kolejnej generacji o dziesięciokrotnie większej czułości w porównaniu z już działającymi interferometrami LIGO i VIRGO. „Detekcja fal grawitacyjnych otworzyła nowe perspektywy badania kosmosu. Wcześniej naukowcy mogli badać Wszechświat, wykorzystując metody związane ze światłem lub promieniowaniem. Dzięki falom grawitacyjnym mogą obserwować wibracje samej czasoprzestrzeni” - podkreślono na stronie internetowej UW.

Fale grawitacyjne zostały zaobserwowane po raz pierwszy w 2015 r. Ich istnienie przewidział – sto lat wcześniej – Albert Einstein. Aby zmierzyć polaryzację fal grawitacyjnych, wymagane są co najmniej dwa detektory. Chociaż można to zrobić za pomocą dwóch interferometrów ustawionych pod kątem 45 stopni kątowych względem siebie, trójkątny kształt zapewnia dodatkowe korzyści - ustawienie ramion pod kątem 60° zmniejsza co prawda czułość każdego interferometru, co jednak uzupełnia trzeci detektor, zapewniając dodatkowo użyteczną kontrolę krzyżową.

Każdy z trzech detektorów ET składałby się z dwóch interferometrów, jednego zoptymalizowanego do pracy poniżej 30 Hz i jednego zoptymalizowanego do pracy na wyższych częstotliwościach. Interferometry o niskiej częstotliwości (1 do 250 Hz) mają wykorzystywać optykę chłodzoną do 10 K (-263,1 °C), z mocą wiązki około 18 kW w każdej sekcji ramienia. Te wyżej taktowane (10 Hz do 10 kHz) będą wykorzystywały optykę utrzymywaną w temperaturze pokojowej i korzystającą ze znacznie wyższej mocy wiązki (3 MW).

Źródło: PAP/CAMK/ESFRI/OA UW