Tło fali grawitacyjnej (GWB): przełom w bezpośrednim wykrywaniu

Fala grawitacyjna został bezpośrednio wykryty po raz pierwszy w 2015 r., po stuleciu przewidywań zawartych w ogólnej teorii względności Einsteina w 1916 r. Jednak ciągła, niska częstotliwość Grawitacyjny-wave Tło (GWB), które uważa się za obecne w całym wszechświat nie został dotychczas wykryty bezpośrednio. Naukowcy z North American Nanohertz Observatory ds Fale grawitacyjne (NANOGrav) donieśli niedawno o wykryciu sygnału o niskiej częstotliwości, który może być „tłem fali grawitacyjnej (GWB)”.   

Ogólna teoria względności wysunięta przez Einsteina w 1916 roku przewiduje, że główne wydarzenia kosmiczne, takie jak supernowa lub połączenie czarne dziury powinien produkować fale grawitacyjne które rozprzestrzeniają się przez Wszechświat. Ziemia powinna być zalana fale grawitacyjne ze wszystkich kierunków przez cały czas, ale pozostają one niewykryte, ponieważ stają się niezwykle słabe, zanim dotrą do Ziemi. Bezpośrednie wykrycie zmarszczek grawitacyjnych zajęło około stulecia, kiedy w 2015 roku zespołowi LIGO-Virgo udało się wykryć fale grawitacyjne powstał w wyniku połączenia dwóch czarne dziury znajduje się w odległości 1.3 miliarda lat świetlnych od Ziemi ⁽¹⁾. Oznaczało to również, że wykryte zmarszczki były nośnikiem informacji o kosmicznym zdarzeniu, które miało miejsce około 1.3 miliarda lat temu.  

Od pierwszego wykrycia w 2015 r. spora liczba fale grawitacyjne zostały nagrane do chwili obecnej. Większość z nich wynikała z połączenia dwóch czarne dziuryniewiele z nich było wynikiem zderzenia dwóch gwiazd neutronowych ⁽²⁾. Wszystko wykryte fale grawitacyjne do tej pory były epizodyczne, spowodowane parą binarną czarne dziury lub gwiazdy neutronowe krążące spiralnie i łączące się lub zderzające ze sobą ⁽³⁾ i miały wysoką częstotliwość, krótką długość fali (w zakresie milisekund).   

Jednakże, ponieważ istnieje możliwość dużej liczby źródeł fale grawitacyjne wszechświat stąd wiele fale grawitacyjne razem z całego wszechświat mogą stale przechodzić przez ziemię, tworząc tło lub hałas. Powinno to mieć charakter ciągły, losowy i mieć małą falę o niskiej częstotliwości. Szacuje się, że pewna jego część mogła nawet pochodzić z Wielkiego Wybuchu. Zwany Grawitacyjny-wave Tło (GWB), nie zostało to dotychczas wykryte ⁽³⁾.  

Ale możemy być o krok od przełomu – twierdzą naukowcy z Północnoamerykańskiego Obserwatorium Nanohertz Fale grawitacyjne (NANOGrav) donieśli o wykryciu sygnału o niskiej częstotliwości, który może być „tłem fali grawitacyjnej (GWB)” ^(4,5,6).  

W przeciwieństwie do zespołu LIGO-virgo, który wykrył fala grawitacyjna z poszczególnych par czarne dziury, zespół NANOGrav poszukiwał trwałych, szumiących, „połączonych” fala grawitacyjna tworzone przez bardzo długi okres czasu przez niezliczoną liczbę czarne dziury wszechświat. Skupiono się na „bardzo długich falach” fala grawitacyjna na drugim końcu „widma fal grawitacyjnych”.

W przeciwieństwie do światła i innych promieniowania elektromagnetycznego fal grawitacyjnych nie można obserwować bezpośrednio przez teleskop.  

Zespół NANOGrav wybrał milisekunda pulsary (MSP), które obracają się bardzo szybko i zapewniają długoterminową stabilność. Z pulsatorów wydobywa się stały wzór światła, który powinien być zmieniany przez falę grawitacyjną. Pomysł polegał na obserwacji i monitorowaniu zespołu ultrastabilnych pulsarów milisekundowych (MSP) pod kątem skorelowanych zmian w czasie docierania sygnałów do Ziemi, tworząc w ten sposób „Galaktykawielkości” detektora fal grawitacyjnych w naszym własnym galaktyka. Zespół stworzył układ synchronizacji pulsarów, badając 47 takich pulsarów. Obserwatorium Arecibo i Teleskop Green Bank były radio teleskopy użyte do pomiarów.   

Uzyskany do tej pory zestaw danych obejmuje 47 MSP i ponad 12.5 lat obserwacji. Na tej podstawie nie można jednoznacznie udowodnić bezpośredniego wykrycia GWB, chociaż wykryte sygnały o niskiej częstotliwości bardzo na to wskazują. Być może następnym krokiem byłoby włączenie większej liczby pulsarów do układu i badanie ich przez dłuższy czas w celu zwiększenia czułości.  

Aby studiować wszechświatnaukowcy byli zależni wyłącznie od promieniowania elektromagnetycznego, takiego jak światło, promieniowanie rentgenowskie, radio fala itp. Wykrycie grawitacji w 2015 r., całkowicie niezwiązane z promieniowaniem elektromagnetycznym, otworzyło przed naukowcami nowe możliwości badania ciał niebieskich i zrozumienia wszechświat zwłaszcza te zdarzenia niebieskie, które są niewidoczne dla astronomów elektromagnetycznych. Co więcej, w przeciwieństwie do promieniowania elektromagnetycznego, fale grawitacyjne nie oddziałują z materią, dzięki czemu przemieszczają się praktycznie bez przeszkód, niosąc informacje o ich pochodzeniu i źródle bez żadnych zniekształceń.⁽³⁾

Wykrycie tła fali grawitacyjnej (GWB) jeszcze bardziej poszerzyłoby te możliwości. Być może możliwe stanie się nawet wykrycie fal generowanych podczas Wielkiego Wybuchu, co pomoże nam zrozumieć ich pochodzenie wszechświat w lepszy sposób.

***

Referencje:  

1. Castelvecchi D. i Witze A.,2016. Fale grawitacyjne Einsteina w końcu odnalezione. Nature News 11 lutego 2016 r. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. Co 50 zdarzeń fal grawitacyjnych ujawnia o Wszechświecie. Wiadomości o naturze opublikowane 30 października 2020 r. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Źródła i rodzaje fal grawitacyjnych. Dostępne online pod adresem https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Dostęp 12 stycznia 2021 r. 

4. Współpraca NANOGrav, 2021. NANOGrav znajduje możliwe „pierwsze wskazówki” dotyczące tła fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości. Dostępne online pod adresem http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Dostęp 12 stycznia 2021 r. 

5. Współpraca NANOGrav 2021. Briefing prasowy – Poszukiwanie tła fal grawitacyjnych w 12.5 roku danych NANOGrav. 11 stycznia 2021. Dostępne online pod adresem http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. Zbiór danych NANOGrav 12.5 lat: poszukiwanie tła izotropowej fali grawitacyjnej stochastycznej. The Astrophysical Journal Letters, tom 905, numer 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***