Tło fali grawitacyjnej (GWB): przełom w bezpośrednim wykrywaniu

Fala grawitacyjna została bezpośrednio wykryta po raz pierwszy w 2015 roku, po stu latach przewidywań zawartych w Ogólnej Teorii Względności Einsteina z 1916 roku. Jednak ciągłe, niskoczęstotliwościowe tło fali grawitacyjnej (GWB), które uważa się za obecne w całym Wszechświecie , nie zostało jak dotąd bezpośrednio wykryte. Naukowcy z Północnoamerykańskiego Obserwatorium Nanohertzów Fal Grawitacyjnych (NANOGrav) poinformowali niedawno o wykryciu sygnału o niskiej częstotliwości, który może być „tłom fali grawitacyjnej” (GWB).

Ogólna teoria względności zaproponowana przez Einsteina w 1916 roku przewiduje, że duże wydarzenia kosmiczne, takie jak supernowa lub łączenie się czarnych dziur, powinny wytwarzać fale grawitacyjne , które rozprzestrzeniają się we Wszechświecie . Ziemia powinna być cały czas zalewana falami grawitacyjnymi ze wszystkich kierunków, ale pozostają one niewykrywalne, ponieważ stają się niezwykle słabe, zanim dotrą do Ziemi. Zajęło to około wieku, aby dokonać bezpośredniego wykrycia fal grawitacyjnych, kiedy w 2015 roku zespołowi LIGO-Virgo udało się wykryć fale grawitacyjne wytworzone w wyniku połączenia się dwóch czarnych dziur znajdujących się w odległości 1.3 miliarda lat świetlnych od Ziemi ⁽¹⁾ . Oznaczało to również, że wykryte fale były nośnikiem informacji o wydarzeniu kosmicznym, które miało miejsce około 1.3 miliarda lat temu.

Od pierwszego wykrycia w 2015 roku do dziś zarejestrowano znaczną liczbę fal grawitacyjnych . Większość z nich była spowodowana połączeniem się dwóch czarnych dziur , a kilka zderzeniem dwóch gwiazd neutronowych ⁽²⁾ . Wszystkie wykryte dotąd fale grawitacyjne były epizodyczne, spowodowane spiralnym ruchem dwóch czarnych dziur lub gwiazd neutronowych, które się ze sobą łączą lub zderzają ⁽³⁾ i charakteryzowały się wysoką częstotliwością i krótką długością fali (w zakresie milisekund).

Jednakże, ponieważ istnieje możliwość istnienia dużej liczby źródeł fal grawitacyjnych we Wszechświecie , wiele fal grawitacyjnych z całego Wszechświata może stale przenikać przez Ziemię, tworząc tło lub szum. Powinno to być ciągłe, losowe i o niskiej częstotliwości. Szacuje się, że część tych fal mogła nawet pochodzić z Wielkiego Wybuchu. Nazywane jest to tłem fal grawitacyjnych (GWB), które jak dotąd nie zostało wykryte ⁽³⁾.

Możemy być jednak na progu przełomu – naukowcy z Północnoamerykańskiego Obserwatorium Fal Grawitacyjnych Nanohertz (NANOGrav) poinformowali o wykryciu sygnału o niskiej częstotliwości, który może być „tłem fal grawitacyjnych” ^(4,5,6).

W przeciwieństwie do zespołu LIGO-Virgo, który wykrył fale grawitacyjne pochodzące z pojedynczych par czarnych dziur , zespół NANOGrav poszukiwał trwałych, przypominających szum, „połączonych” fal grawitacyjnych generowanych przez bardzo długi czas przez niezliczone czarne dziury we Wszechświecie . Skupiono się na „bardzo długich falach” fal grawitacyjnych 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 pulsary milisekundowe (MSP) obracające się bardzo szybko i charakteryzujące się długoterminową stabilnością. Z tych pulsarów pochodzi stały wzór światła, który powinien zostać zmieniony przez falę grawitacyjną. Pomysł polegał na obserwacji i monitorowaniu zespołu ultrastabilnych pulsarów milisekundowych (MSP) pod kątem skorelowanych zmian w czasie dotarcia sygnałów do Ziemi, tworząc w ten sposób detektor fal grawitacyjnych „ rozmiaru galaktyki ” w naszej galaktyce . Zespół stworzył układ pomiaru czasu pulsarów, badając 47 takich pulsarów. Do pomiarów wykorzystano radioteleskopy Obserwatorium Arecibo i Teleskop Green Bank .

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 badać wszechświat , naukowcy byli uzależnieni wyłącznie od promieniowania elektromagnetycznego, takiego jak światło, promieniowanie rentgenowskie, fale radiowe itp. Ponieważ promieniowanie grawitacyjne nie ma z nim żadnego związku, jego wykrycie w 2015 roku otworzyło przed naukowcami nowe możliwości badania ciał niebieskich i zrozumienia wszechświata , a zwłaszcza tych zjawisk astronomicznych, które są niewidoczne dla astronomów zajmujących się elektromagnetyzmem. Co więcej, w przeciwieństwie do promieniowania elektromagnetycznego, fale grawitacyjne nie oddziałują z materią, a zatem przemieszczają się praktycznie bez przeszkód, niosąc ze sobą informacje o ich pochodzeniu i źródle, wolne od jakichkolwiek zniekształceń. ⁽³⁾

Wykrycie tła fal grawitacyjnych (GWB) jeszcze bardziej poszerzyłoby nasze możliwości. Możliwe byłoby nawet wykrycie fal generowanych przez Wielki Wybuch, co mogłoby pomóc nam lepiej zrozumieć pochodzenie Wszechświata .

***

DOI: https://doi.org/10.29198/scieu/2101121

***

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  

***