2016. gada februārī zinātnieki, kas strādā ar lāzera interferometra gravitācijas viļņu observatoriju (LIGO), pirmo reizi atklāja gravitācijas viļņus. Kopš tā laika ir notikuši vairāki atklājumi, galvenokārt pateicoties instrumentu uzlabojumiem un lielākam sadarbības līmenim starp observatorijām. Raugoties nākotnē, iespējams, ka misijas, kas nav paredzētas šim nolūkam, varētu arī “mēnessgaismu” kā gravitācijas viļņu detektorus.
Piemēram, kosmosa kuģis Gaia - kurš ir aizņemts ar Piena ceļa visdetalizētākās 3D kartes izveidi - varētu būt noderīgs arī gravitācijas viļņu izpētē. Tieši to nesen apgalvoja Kembridžas universitātes astronomu komanda. Saskaņā ar viņu pētījumu Gaia satelītam ir nepieciešama jutība, lai pētītu īpaši zemas frekvences gravitācijas viļņus, kurus rada supermasīvas melno caurumu apvienošanās.
Pētījums ar nosaukumu “Astrometriskās meklēšanas metode individuāli izšķiramiem gravitācijas viļņu avotiem ar Gaiju” nesen parādījās Fiziskās apskates vēstules. Kembridžas universitātes Matemātisko zinātņu centra teorētiskā fiziķa Kristofera J. Mūra vadībā komandā bija dalībnieki no Kembridžas Astronomijas institūta, Kavendišas laboratorijas un Kavli Kosmoloģijas institūta.
Atgādinot, gravitācijas viļņi (GW) ir viļņi telpā-laikā, ko rada vardarbīgi notikumi, piemēram, melnā cauruma apvienošanās, neitronu zvaigžņu sadursmes un pat Lielais sprādziens. Sākotnēji to paredzēja Einšteina vispārējās relativitātes teorija, tādas observatorijas kā LIGO un Advanced Virgo nosaka šos viļņus, izmērot veidu, kā telpas laiks mainās un saspiež, reaģējot uz GW, kas iet caur Zemi.
Tomēr, pārejot no GW, arī Zeme svārstīsies savā vietā attiecībā pret zvaigznēm. Tā rezultātā orbītā esošais kosmiskais teleskops (piemēram, Gaia) varētu to uzņemt, atzīmējot īslaicīgu tālu zvaigžņu stāvokļa maiņu. Gaia observatorija, kas tika dibināta 2013. gadā, pēdējos gadus ir pavadījusi, veicot augstas precizitātes zvaigžņu stāvokļa novērojumus mūsu Galaktikā (saukta arī par astrometriju).
Šajā ziņā Gaia meklētu nelielus pārvietojumus masīvajā zvaigžņu laukā, kuru tas uzrauga, lai noteiktu, vai gravitācijas viļņi ir izgājuši cauri Zemes apkārtnei. Lai izpētītu, vai Gaia tika galā ar uzdevumu, Mūrs un viņa kolēģi veica aprēķinus, lai noteiktu, vai Gaia kosmosa teleskopam ir vajadzīgā jutība, lai noteiktu ultra-zemas frekvences GW.
Šajā nolūkā Mūrs un viņa kolēģi simulēja gravitācijas viļņus, ko rada binārs supermasīvs melnais caurums - t.i., divi SMBH, kas riņķo viens otram apkārt. Viņi atrada, ka, saspiežot datu kopas ar koeficientu vairāk nekā 106 (vienā reizē mērot 100 000 zvaigžņu, nevis miljardu), GW no Gaia datiem varēja atgūt ar tikai 1% jutības zudumu.
Šī metode būtu līdzīga tai, ko izmanto Pulsar Timing Arrays, kur tiek pārbaudīts milisekunžu impulsu komplekts, lai noteiktu, vai gravitācijas viļņi maina viņu impulsu frekvenci. Tomēr šajā gadījumā zvaigznes tiek uzraudzītas, lai redzētu, vai tās svārstās ar raksturīgu zīmējumu, nevis pulsē. Aplūkojot lauku, kurā ir 100 000 zvaigžņu vienlaikus, pētnieki spēs atklāt izraisītas acīmredzamas kustības (skat. Attēlu augstāk).
Tādēļ pilnīga Gaia datu publiskošana (paredzēta 2020. gadu sākumā), iespējams, būs galvenā iespēja tiem, kas meklē GW signālus. Kā Moore paskaidroja a APS fizika preses relīze:
“Gaia pirmo reizi padarīs šī efekta mērīšanu par reālu iespēju. Pieejas iespējamību veicina daudzi faktori, tai skaitā astrometrisko mērījumu precizitāte un ilgs ilgums. Gaia 5–10 gadu laikā novēros apmēram miljardu zvaigžņu, katrā no tām vismaz 80 reizes atrodot šajā laika posmā. Tik daudz zvaigžņu novērošana ir lielākais Gajas sasniegums. ”
Interesanti arī atzīmēt, ka GW atklāšanas potenciāls bija kaut kas tāds, ko pētnieki atzina, kad Gaia vēl tika projektēta. Viens no šādiem indivīdiem bija Lorhrmann observatorijas pētnieks un TU Drēzdenes grupas Gaia vadītājs Sergejs A. Klioners. Kā viņš norādīja savā 2017. gada pētījumā “Gaia līdzīga astrometrija un gravitācijas viļņi”, Gaia varēja atklāt GW, ko izraisīja SMBH apvienošanās gadus pēc notikuma:
“Ir skaidrs, ka daudzsološākie gravitācijas viļņu avoti astrometriskai noteikšanai ir supermasīvie binārie melnie caurumi galaktiku centros. Tiek uzskatīts, ka bināri supermasīvie melnie caurumi ir samērā izplatīts galaktiku mijiedarbības un apvienošanās produkts tipiskā laikā. viņu evolūcija. Šāda veida objekti var dot gravitācijas viļņus gan ar frekvencēm, gan ar amplitūdu, kas potenciāli ir kosmosa astrometrijas sasniedzamībā. Turklāt bieži var uzskatīt, ka gravitācijas viļņiem no šiem objektiem ir praktiski nemainīga frekvence un amplitūda visā vairāku gadu novērojumu periodā. ”
Bet, protams, nav garantijas, ka, izsijot caur Gaia datus, tiks parādīti papildu GW signāli. Pirmkārt, Mūrs un viņa kolēģi atzīst, ka viļņi šajās īpaši zemās frekvencēs varētu būt pārāk vāji, lai pat Gaia to varētu atklāt. Turklāt pētniekiem būs jāspēj atšķirt GW un konfliktējošos signālus, kas rodas no izmaiņām kosmosa kuģa orientācijā - kas nav viegls izaicinājums!
Tomēr joprojām ir cerība, ka tādas misijas kā Gaia spēs atklāt GW, kas nav viegli pamanāmi uz zemes bāzētiem interferometriskiem detektoriem, piemēram, LIGO un Advanced Virgo. Šādi detektori ir pakļauti atmosfēras iedarbībai (piemēram, refrakcijai), kas neļauj viņiem redzēt ārkārtīgi zemas frekvences viļņus - piemēram, pirmatnējos viļņus, kas rodas Lielā sprādziena inflācijas laikmetā.
Šajā ziņā gravitācijas viļņu izpēte nav atšķirīga no eksoplanētu izpētes un daudzām citām astronomijas nozarēm. Lai atrastu slēptos dārgakmeņus, novērošanas centriem, iespējams, vajadzēs nokļūt kosmosā, lai novērstu atmosfēras traucējumus un palielinātu to jutīgumu. Iespējams, ka citi kosmosa teleskopi tiks retoolēti GW izpētei un nākamās paaudzes GW detektori tiks uzstādīti uz kosmosa kuģa.
Dažos pēdējos gados zinātnieki ir pārgājuši no gravitācijas viļņu pirmās noteikšanas līdz jaunu un labāku veidu atklāšanai. Šādā tempā nebūs ilgi jāgaida, kad astronomi un kosmologi spēs iekļaut gravitācijas viļņus mūsu kosmoloģiskajos modeļos. Citiem vārdiem sakot, viņi varēs parādīt, kādu ietekmi šie viļņi spēlēja Visuma vēsturē un evolūcijā.
