W lutym 2016 r. Naukowcy pracujący dla laserowego interferometru obserwatorium fal grawitacyjnych (LIGO) dokonali pierwszego wykrycia fal grawitacyjnych. Od tego czasu miało miejsce wiele detekcji, głównie dzięki ulepszeniom instrumentów i wyższemu poziomowi współpracy między obserwatoriami. Patrząc w przyszłość, możliwe, że misje nieprzeznaczone do tego celu mogą również „świecić księżycem” jako detektory fal grawitacyjnych.
Na przykład statek kosmiczny Gaia - który jest zajęty tworzeniem najbardziej szczegółowej mapy 3D Drogi Mlecznej - może również być pomocny w badaniach fal grawitacyjnych. Tak twierdził niedawno zespół astronomów z Uniwersytetu Cambridge. Według ich badań satelita Gaia ma niezbędną czułość do badania fal grawitacyjnych o ultra niskiej częstotliwości, które powstają w wyniku połączenia supermasywnych czarnych dziur.
Badanie zatytułowane „Metoda poszukiwania astrometrycznego dla indywidualnie rozwiązywalnych źródeł fali grawitacyjnej za pomocą Gai” niedawno pojawiło się w Listy z przeglądu fizycznego. Zespół kierowany przez Christophera J. Moore'a, fizyka teoretycznego z Centre for Mathematical Sciences na University of Cambridge, w skład zespołu wchodzili członkowie Cambridge Institute of Astronomy, Cavendish Laboratory i Kavli Institute for Cosmology.
Podsumowując, fale grawitacyjne (GW) to fale w czasoprzestrzeni, które powstają w wyniku gwałtownych wydarzeń, takich jak fuzje czarnej dziury, zderzenia gwiazd neutronowych, a nawet Wielki Wybuch. Pierwotnie przewidywane przez Teorię ogólnej teorii względności Einsteina, obserwatoria takie jak LIGO i Advanced Virgo wykrywają te fale, mierząc sposób, w jaki czasoprzestrzeń wygina się i ściska w odpowiedzi na GW przechodzące przez Ziemię.
Jednak przejście GW spowoduje również, że Ziemia oscyluje w swoim położeniu względem gwiazd. W rezultacie orbitujący teleskop kosmiczny (taki jak Gaia) byłby w stanie to zauważyć, zauważając tymczasowe przesunięcie w pozycji odległych gwiazd. Uruchomione w 2013 roku obserwatorium Gaia przez ostatnie kilka lat przeprowadzało bardzo precyzyjne obserwacje pozycji gwiazd w naszej Galaktyce (czyli astrometria).
W związku z tym Gaia szukałaby małych przemieszczeń w masywnym polu monitorowanych gwiazd, aby ustalić, czy fale grawitacyjne przeszły przez sąsiedztwo Ziemi. Aby sprawdzić, czy Gaia poradzi sobie z tym zadaniem, Moore i jego koledzy wykonali obliczenia, aby ustalić, czy teleskop kosmiczny Gaia ma niezbędną czułość do wykrywania GW o ultra niskiej częstotliwości.
W tym celu Moore i jego koledzy symulowali fale grawitacyjne wytwarzane przez binarną supermasywną czarną dziurę - tj. Dwie SMBH krążące wokół siebie. Odkryli, że kompresując zbiory danych ponad 10 razy6 (mierząc 100 000 gwiazd zamiast miliarda na raz), GW można było odzyskać z danych Gaia przy zaledwie 1% utracie czułości.
Ta metoda byłaby podobna do tej stosowanej w Pulsarowych Tablicach Rozrządu, w których badany jest zestaw pulsarów milisekundowych w celu ustalenia, czy fale grawitacyjne modyfikują częstotliwość ich pulsów. Jednak w tym przypadku gwiazdy są monitorowane, aby zobaczyć, czy oscylują z charakterystycznym wzorem, a nie pulsują. Patrząc na pole 100 000 gwiazd jednocześnie, naukowcy byliby w stanie wykryć indukowane ruchy pozorne (patrz rysunek powyżej).
Z tego powodu pełne udostępnienie danych Gaia (zaplanowane na początek 2020 r.) Prawdopodobnie będzie dużą szansą dla osób poszukujących sygnałów GW. Jak wyjaśnił Moore w APS Physics informacja prasowa:
„Gaia sprawi, że pomiar tego efektu stanie się realistyczną perspektywą po raz pierwszy. Wiele czynników wpływa na wykonalność tego podejścia, w tym precyzja i długi czas trwania pomiarów astrometrycznych. Gaia będzie obserwować około miliarda gwiazd w ciągu 5–10 lat, lokalizując każdą z nich co najmniej 80 razy w tym okresie. Obserwowanie tylu gwiazd to główny postęp zapewniany przez Gaię. ”
Warto również zauważyć, że potencjał wykrywania GW był czymś, co naukowcy zauważyli, gdy Gaia była jeszcze w fazie projektowania. Jedną z takich osób był Siergiej A. Klioner, badacz z Obserwatorium Lorhrmann i lider grupy Gaia w TU Dresden. Jak wskazał w swoim badaniu z 2017 r., „Astrometria podobna do Gai i fale grawitacyjne”, Gaia mogła wykryć GWs powstałe w wyniku połączenia SMBH po latach:
„Oczywiste jest, że najbardziej obiecującymi źródłami fal grawitacyjnych do wykrywania astrometrycznego są supermasywne binarne czarne dziury w centrach galaktyk… Uważa się, że binarne supermasywne czarne dziury są stosunkowo częstym produktem interakcji i łączenia galaktyk w typowym przebiegu ich ewolucja. Tego rodzaju obiekty mogą wytwarzać fale grawitacyjne o częstotliwościach i amplitudach potencjalnie w zasięgu astrometrii kosmicznej. Co więcej, fale grawitacyjne z tych obiektów można często uznać za mające praktycznie stałą częstotliwość i amplitudę przez cały okres obserwacji trwający kilka lat. ”
Ale oczywiście nie ma gwarancji, że przeszukanie danych Gaia ujawni dodatkowe sygnały GW. Po pierwsze, Moore i jego koledzy przyznają, że fale o tak niskich częstotliwościach mogą być zbyt słabe, aby nawet Gaia mogła je wykryć. Ponadto naukowcy będą musieli odróżnić GW i sprzeczne sygnały wynikające ze zmian orientacji statku kosmicznego - co nie jest łatwym wyzwaniem!
Istnieje jednak nadzieja, że misje takie jak Gaia będą w stanie odkryć GW, które nie są łatwo widoczne dla naziemnych detektorów interferometrycznych, takich jak LIGO i Advanced Virgo. Takie detektory podlegają wpływom atmosferycznym (takim jak załamanie), które uniemożliwiają im zobaczenie fal o bardzo niskiej częstotliwości - na przykład pierwotnych fal powstających podczas inflacyjnej epoki Wielkiego Wybuchu.
W tym sensie badania fal grawitacyjnych nie różnią się od badań egzoplanet i wielu innych gałęzi astronomii. W celu znalezienia ukrytych klejnotów obserwatoria mogą potrzebować przestrzeni kosmicznej, aby wyeliminować zakłócenia atmosferyczne i zwiększyć ich czułość. Możliwe jest zatem, że inne teleskopy kosmiczne zostaną zmodyfikowane pod kątem badań GW, a detektory GW nowej generacji zostaną zamontowane na pokładzie statku kosmicznego.
W ciągu ostatnich kilku lat naukowcy przeszli od pierwszego wykrycia fal grawitacyjnych do opracowania nowych i lepszych sposobów ich wykrywania. W tym tempie nie potrwa długo, zanim astronomowie i kosmolodzy będą w stanie włączyć fale grawitacyjne do naszych modeli kosmologicznych. Innymi słowy, będą mogli pokazać, jaki wpływ te fale odegrały w historii i ewolucji Wszechświata.
