Wszechświat wypełnia wszechobecny szum grawitacyjny. Po latach badań udało się do pośrednio odebrać. Było to możliwe dzięki naszej Galaktyce, której po raz pierwszy użyto w charakterze olbrzymiego radioteleskopu.
Wszechświat nieustannie pulsuje pod wpływem fal grawitacyjnych. Tak wynika z kilkunastoletnich badań konsorcjum złożonego z astronomów i fizyków z różnych ośrodków naukowych z całego świata. Właśnie ogłoszono znalezienie mocnych dowodów na istnienie tak zwanego tła fal grawitacyjnych. Wznoszenie się i opadanie takiej pojedynczej fali może przy tym trwać od lat do dziesięcioleci.
Wyniki najnowszych badań zostały opublikowane w serii artykułów w The Astrophysical Journal Letters, które są zwieńczeniem wspólnych wysiłków NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), PFC (Physics Frontiers Center), naukowców z International Pulsar Timing Array i ich współpracowników z Indii, Australii, Europy i Chin. Wykrycie subtelnego tła fal grawitacyjnych stanowi długo oczekiwany wynik. Zdaniem badaczy fale te w dużej mierze powstają w parach supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach łączących się galaktyk, ale nie tylko, a pewna ich część może pochodzić jeszcze z samego Wielkiego Wybuchu. Możliwość pomiaru tych fal może dostarczyć nauce nowych informacji na temat ewolucji i historii Wszechświata.
To kluczowy dowód na istnienie fal grawitacyjnych o bardzo niskich częstotliwościach – podkreśla Stephen Taylor, astrofizyk kierujący badaniami na Uniwersytecie Vanderbilt w Nashville. Po latach NANOGrav otwiera nowe okno na Wszechświat fal grawitacyjnych.
Jak w ogóle można to zjawisko wykryć? Gdy fale grawitacyjne rozchodzą się, powodują falowanie samej czasoprzestrzeni. Powstają one w układach podwójnych masywnych obiektów, takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe. Gdy obiekty te zbliżają się do siebie, a przyspieszenia ich ruchu rosną, wysyłają energię właśnie w postaci fal grawitacyjnych. Pierwsze w historii wykrycie tych fal zostało ogłoszone w 2015 roku przez naukowców z obserwatorium LIGO, ale wszystkie sygnały zaobserwowane dotąd przez LIGO i podobne detektory mogą wykrywać tylko fale grawitacyjne rezonujące na wysokich częstotliwościach, wytwarzane przez stosunkowo małe obiekty, takie jak łączące się gwiazdy neutronowe lub czarne dziury powstałe w pojedynczych wybuchach supernowych.
Jednak naukowcy od dawna przewidywali inną postać fal grawitacyjnych, czyli ciągły szum wytwarzany przez pary supermasywnych czarnych dziur o masach rzędu milionów lub miliardów mas Słońca, powoli zbliżających się do siebie po torach spiralnych. Układy te powinny emitować fale grawitacyjne o niższej częstotliwości, nie do wykrycia przez LIGO. Fale te, zwane tłem fal grawitacyjnych, dudnią w całym Wszechświecie z prędkością światła, delikatnie uderzając w Ziemię ze wszystkich stron. Nie są też bez wpływu na naszą Galaktykę i jej gwiazdy.
Detektory NANOgrav poszukiwały sygnałów wynikających z łączenia się supermasywnych czarnych dziur w centrach masywnych galaktyk. Wiele z nich pochodzi z różnych miejsc w kosmosie i w efekcie generuje nieustanny szum, podobny do gwaru rozmów w zatłoczonym pokoju. Nie są to pojedyncze sygnały, jakie widzi LIGO, ale wiele zmieszanych sygnatur razem. Długi okres fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości sprawia z kolei, że są one trudne do wykrycia. Do ich odbioru potrzeba instrumentu większego nawet od Ziemi. Strategia NANOGrav polegała na zwróceniu się w stronę kosmosu i wykorzystaniu pulsarów w Drodze Mlecznej jako ogromnej, rozproszonej anteny fal grawitacyjnych.
Pulsary, czyli szybko obracające się gwiazdy neutronowe, wysyłają wiązki fal niczym wirująca kosmiczna latarnia. Za każdym razem, gdy pulsar wysyła taką wiązkę w kierunku Ziemi, wykrywamy wyraźny impuls fal radiowych. Impulsy te są tak regularne, że pulsary mogą służyć jako bardzo precyzyjne zegary. Wszechobecne fale grawitacyjne mogą jednak zmieniać ich taktowanie, powodując, że sygnały pulsarowe docierają do nas z opóźnieniem lub wyprzedzeniem, co pozwala na określenie wzorca związanego z tymi falami.
Zmiana jest bardzo subtelna. Naukowcy z całego świata zebrali wieloletnie dane dla 68 pulsarów, tworzących wielki detektor w kosmosie. Im więcej pulsarów, tym bardziej jest on czuły i tym lepszy w wykrywaniu tła fal grawitacyjnych. Obecny zbiór danych jest już wystarczający, aby ogłosić detekcję „Wielkiego Szumu”, a badania pozwoliły dostrzec pierwsze oznaki wzorca korelacji przewidywanego przez ogólną teorię względności. W praktyce większość tej pracy obserwacyjnej wykonały dwa słynne radioteleskopy: Green Bank w Wirginii Zachodniej i nieistniejący już Arecibo w Puerto Rico.
Na ilustracji: Taniec pary supermasywnych czarnych dziur generuje niskoczęstotliwościowe fale grawitacyjne, które wykryto analizując ich wpływ na czasy emisji pulsarów. Źródło: Aurore Simonnet dla NANOGrav Collaboration
Otrzymane wyniki dowodzą, że pulsarowe „matryce czasu” mogą otworzyć nowe, dotąd niedostępne okno na Wszechświat. Teraz naukowcy chcą dowiedzieć się więcej o tym, co wytwarza te sygnały, co z kolei pomoże nakreślić historię Wszechświata i zbadać wydarzenia, które go ukształtowały. Co ciekawe, znaleziony szum wskazuje wyraźnie na to, że supermasywne czarne dziury w układach podwójnych z czasem zbliżają się do siebie, czego astronomowie nie byli dotąd do końca pewni.
Czytaj więcej:
Źródło: Astronomy.com
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Gdy galaktyki się łączą, łączą się też ich supermasywne czarne dziury. Ostatnie etapy takiej fuzji pokazano w tej symulacji. Źródło: NASA's Goddard Space Flight Center / Scott Noble / d'Ascoli et al. 2018
