Detektion von Gravitationswellen mit einem interferometrischen Seismometer-Array auf der mondnahen Seite

Ein Team unter der Leitung der Abteilung für Astronomie der Beijing Normal University hat kürzlich einen vielversprechenden Plan zur Erkennung von Gravitationswellen (GWs) durch die Platzierung von Seismometern auf der Mondoberfläche vorgeschlagen. Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft China Physik, Mechanik und Astronomie.

Durch die Nutzung des Mondes als resonante Masse im Weber-Stab-Stil nutzt das Experiment die Detektion von Dezihertz-Gravitationswellen. Die Forscher planen den Bau einer Reihe kleiner laserinterferometrischer Seismometer auf der Mondoberfläche. Die natürliche Resonanzfrequenz des Mondes, die zwischen 0,1 und 1 Hz liegt, birgt das Potenzial, Gravitationswellen zu erkennen, die aus bedeutenden astrophysikalischen Ereignissen wie Verschmelzungen von Schwarzen Löchern mittlerer Masse (IMBHs) und Kollisionen von Neutronensternen resultieren.

Die Installation von Seismometern würde es ermöglichen, Veränderungen in der Form und Position des Mondes zu beobachten, die durch den Vorbeiflug von Dezihertz-GWs verursacht werden. Dieser Frequenzbereich füllt die Lücke des GW-Spektrums, das von vorhandenen Detektoren abgedeckt wird, wie z. B. bodengestützten Detektoren (LIGO et al.) und laufenden weltraumgestützten Antennen (LISA und andere), die eine Spitzenempfindlichkeit bei mehreren Hertz und Millihertz aufweisen ( 10−3 Hz).

Das Design und die Einsatzstrategie des Experiments wurden skizziert. Um die Translations- und Rotationsbewegungen des Mondes zu überwachen, plant das Team den Einsatz von Seismometern, die sechs Freiheitsgrade (DOFs) erfassen. Alle mechanischen DOFs sind schwach kreuzgekoppelt. Darüber hinaus wird ein zweistufiges Sensorsystem zur Überwachung des Mondes vorgeschlagen.

Für die seismische Mondverschiebung würden interferometrische Sensoren verwendet, und für Niederfrequenz- und Hochgleichstromverschiebungen wie Mondbeben würde der optische Sensor und elektromagnetische Aktuator von Birmingham (BOSEM) verwendet. Das Hardware-Design könnte plausibel eine Empfindlichkeit von 10−11 m pro Quadratwurzel Hertz erreichen. Das heißt, für ein Signal mit einer Frequenz von 1 Hz kann das vorgeschlagene Design die minimale Schwingung der Mondgeologie von 10–11 m erkennen.

Auch der Standort des Arrays wird sorgfältig überlegt. Aufgrund der fehlenden Atmosphäre gibt es auf dem Mond erhebliche Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht. Es wurde festgestellt, dass vier kalte Stellen stabile Bedingungen bei niedrigen Temperaturen erfüllen. Allerdings hängt die Auswahl des Standorts von der zukünftigen Mondmission ab, um genauere Informationen liefern zu können.

Zur Bewältigung der Missionsherausforderungen werden in den Vorschlag Redundanzen aufgenommen. Beispielsweise verfügt jedes Seismometer über sechs Fotodetektoren, für die Messung der lokalen Topographie sind jedoch nur vier erforderlich. Das Einsatzmuster der fünf Seismometer ist außerdem sorgfältig darauf ausgelegt, die lokalen Verformungen der Mondoberfläche zu erfassen und auf größere Verformungen in umliegenden Regionen zu extrapolieren. Im extremsten Szenario können nur zwei weit voneinander entfernte Seismometer die Erkennung für sich beanspruchen.

Es liegen jedoch noch Herausforderungen vor uns. Ein überwältigender thermisch-seismischer Hintergrundlärm ist nicht vermeidbar. Darüber hinaus stellen die Datenerfassung, -speicherung und -verarbeitung eine Herausforderung dar. Eine zuverlässige und breitbandige Kommunikationsverbindung zwischen den Seismometern und der Erde wäre von entscheidender Bedeutung. Trotz dieser Anforderungen wird erwartet, dass fortlaufende Fortschritte und zukünftige Lösungen diese Schwierigkeiten angehen.

Insgesamt hat der Vorschlag, auf dem Mond ein interferometrisches Seismometer-Array zur Erkennung von Dezihertz-Gravitationswellen (GWs) zu bauen, das Potenzial, zur GW-Physikforschung beizutragen und die Erforschung von Phänomenen wie IMBHs zu erleichtern. Basierend auf der einzigartigen Umgebung und den Eigenschaften des Mondes könnte es unser Verständnis des Universums verbessern und das Feld der GW-Astronomie erweitern.