Ozadje gravitacijskih valov (GWB): preboj v neposrednem odkrivanju

Gravitacijski val je bila prvič neposredno zaznana leta 2015 po stoletju napovedi Einsteinove splošne teorije relativnosti leta 1916. Toda neprekinjena nizka frekvenca Gravitacijsko-valovno ozadje (GWB), za katerega se domneva, da je prisotno povsod Vesolje doslej ni bil neposredno zaznan. Raziskovalci severnoameriškega observatorija Nanohertz za Gravitacijski valovi (NANOGrav) so nedavno poročali o zaznavi nizkofrekvenčnega signala, ki bi lahko bil "ozadje gravitacijskih valov (GWB)".   

Splošna teorija relativnosti, ki jo je leta 1916 predlagal Einstein, predvideva, da bodo veliki kozmični dogodki, kot sta supernova ali združitev črne luknje bi moral proizvajati gravitacijski valovi ki se širijo skozi Vesolje. Zemlja bi morala biti preplavljena gravitacijski valovi ves čas iz vseh smeri, vendar jih ni mogoče odkriti, ker postanejo izjemno šibki, ko dosežejo zemljo. Trajalo je približno stoletje, da so neposredno zaznali gravitacijsko valovanje, ko je leta 2015 ekipi LIGO-Virgo uspelo zaznati gravitacijski valovi nastala zaradi združitve dveh črne luknje ki se nahaja na razdalji 1.3 milijarde svetlobnih let od Zemlje ⁽¹⁾. To je tudi pomenilo, da so bili zaznani valovi nosilec informacij o kozmičnem dogodku, ki se je zgodil pred približno 1.3 milijarde let.  

Od prvega odkritja leta 2015 je bilo lepo število gravitacijsko valovanje so bili do danes posneti. Največ jih je bilo zaradi združitve dveh črne luknje, nekaj jih je bilo posledica trka dveh nevtronskih zvezd ⁽²⁾. Vse odkrito gravitacijski valovi doslej so bili epizodni, nastali zaradi binarnega para črne luknje ali nevtronske zvezde, ki se spiralno združujejo ali trčijo druga z drugo ⁽³⁾ in so bile visoke frekvence, kratke valovne dolžine (v območju milisekund).   

Ker pa obstaja možnost velikega števila virov gravitacijski valovi v Vesolje zato mnogi gravitacijski valovi skupaj z vseh koncev Vesolje lahko nenehno prehaja skozi zemljo in tvori ozadje ali hrup. To mora biti neprekinjeno, naključno in nizkofrekvenčnih majhnih valov. Ocenjuje se, da del tega morda celo izvira iz velikega poka. Poklican Gravitacijsko-valovno ozadje (GWB), to do sedaj ni bilo zaznano ⁽³⁾.  

Toda morda smo tik pred prebojem, pravijo raziskovalci severnoameriškega observatorija Nanohertz za Gravitacijski valovi (NANOGrav) so poročali o zaznavi nizkofrekvenčnega signala, ki bi lahko bil 'ozadje gravitacijskih valov (GWB) ^(4,5,6).  

Za razliko od ekipe LIGO-virgo, ki je zaznala gravitacijski val iz posameznih parov črne luknje, ekipa NANOGrav je iskala obstojne, hrupu podobne, 'kombinirane' gravitacijski val ki jih je v zelo dolgem časovnem obdobju ustvarilo nešteto črne luknje v Vesolje. Poudarek je bil na "zelo dolgi valovni dolžini" gravitacijski val na drugem koncu 'spektra gravitacijskih valov'.

Za razliko od svetlobe in drugih elektromagnetnih sevanj gravitacijskih valov ni mogoče opazovati neposredno s teleskopom.  

Ekipa NANOGrav je izbrala milisekunde pulzarji (MSP), ki se vrtijo zelo hitro z dolgoročno stabilnostjo. Iz teh pulserjev prihaja stalen vzorec svetlobe, ki bi ga moral spremeniti gravitacijski val. Zamisel je bila opazovati in spremljati skupino ultra-stabilnih milisekundnih pulsarjev (MSP) za korelirane spremembe v času prihoda signalov na Zemljo in tako ustvariti "Galaxydetektor gravitacijskih valov v naši lastni velikosti Galaksija. Ekipa je ustvarila časovni niz pulsarjev s preučevanjem 47 takih pulsarjev. Observatorij Arecibo in teleskop Green Bank sta bila radio teleskope, uporabljene za meritve.   

Do sedaj pridobljeni nabor podatkov vključuje 47 MSP in več kot 12.5 let opazovanj. Na podlagi tega ni mogoče dokončno dokazati neposrednega zaznavanja GWB, čeprav zaznani nizkofrekvenčni signali to zelo kažejo. Morda bi bil naslednji korak, da bi v niz vključili več pulsarjev in jih preučevali dlje časa, da bi povečali občutljivost.  

Za preučevanje Vesoljeso bili znanstveniki izključno odvisni od elektromagnetnih sevanj, kot so svetloba, rentgen, radio valovanje itd. Ker je zaznavanje gravitacijskega sevanja popolnoma nepovezano z elektromagnetnim sevanjem, je leta 2015 znanstvenikom odprlo novo priložnost za preučevanje nebesnih teles in razumevanje Vesolje zlasti tiste nebesne dogodke, ki so elektromagnetnim astronomom nevidni. Nadalje, za razliko od elektromagnetnega sevanja, gravitacijski valovi ne interagirajo s snovjo, zato potujejo praktično neovirano in prenašajo informacije o svojem izvoru in izvoru brez kakršnega koli popačenja.⁽³⁾

Zaznavanje ozadja gravitacijskih valov (GWB) bi še razširilo priložnost. Morda bo celo mogoče zaznati valove, ki nastanejo zaradi velikega poka, kar nam lahko pomaga razumeti izvor Vesolje na boljši način.

***

Reference:  

1. Castelvecchi D. in Witze A., 2016. Končno so našli Einsteinove gravitacijske valove. Naravne novice 11. februar 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. Kaj 50 dogodkov gravitacijskih valov razkriva o vesolju. Nature News Objavljeno 30. oktobra 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Viri in vrste gravitacijskih valov. Na voljo na spletu na https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Dostop 12. januarja 2021. 

4. NANOGrav Collaboration, 2021. NANOGrav najde možne 'prve namige' ozadja nizkofrekvenčnega gravitacijskega valovanja. Na voljo na spletu na http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Dostop 12. januarja 2021 

5. NANOGrav Collaboration 2021. Novinarska konferenca – Iskanje ozadja gravitacijskih valov v 12.5 letih podatkov NANOGrav. 11. januar 2021. Dostopno na spletu na http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. Nabor podatkov NANOGrav 12.5 yr: Iskanje izotropnega stohastičnega ozadja gravitacijskega valovanja. The Astrophysical Journal Letters, letnik 905, številka 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***