I februar 2016 gjorde forskere som jobbet for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) den første noensinne deteksjon av gravitasjonsbølger. Siden den tid har flere deteksjoner funnet sted, stort sett takket være forbedringer i instrumenter og større nivåer av samarbeid mellom observatorier. Når vi ser fremover, er det mulig at oppdrag som ikke er designet for dette formålet, også kan "måne" som gravitasjonsbølgedetektorer.
For eksempel kan Gaia-romfartøyet - som er opptatt med å lage det mest detaljerte 3D-kartet over Melkeveien - også være instrumentalt når det gjelder gravitasjonsbølgeforskning. Det er det et team av astronomer fra University of Cambridge nylig hevdet. I følge deres studie har Gaia-satellitten den nødvendige følsomheten for å studere gravitasjonsbølger med lav lavfrekvens som er produsert av supermassive sammenslåinger av svart hull.
Studien, med tittelen “Astrometrisk søkemetode for individuelt oppløselige gravitasjonsbølgekilder med Gaia”, dukket nylig opp i Fysiske gjennomgangsbrev. Under ledelse av Christopher J. Moore, en teoretisk fysiker fra Center for Mathematical Sciences ved University of Cambridge, inkluderte teamet medlemmer fra Cambridges institutt for astronomi, Cavendish Laboratory og Kavli Institute for Cosmology.
For å oppsummere er gravitasjonsbølger (GW-er) krusninger i romtid som er skapt av voldelige hendelser, for eksempel sammenslåinger av sorte hull, kollisjoner mellom nøytronstjerner og til og med Big Bang. Observatorier som LIGO og Advanced Virgo oppdager opprinnelig av Einsteins teori om generell relativitet, og oppdager disse bølgene ved å måle hvordan rom-tid bøyer seg og klemmer som svar på GW-er som går gjennom jorden.
Imidlertid vil passerende GWs også føre til at Jorden svinger i sin beliggenhet med hensyn til stjernene. Som et resultat vil et kretsende romteleskop (som Gaia) kunne ta dette opp ved å merke et midlertidig skifte i posisjonen til fjerne stjerner. Gaia-observatoriet ble startet i 2013 og har brukt de siste årene på å gjennomføre observasjoner med høy presisjon av stjernenes posisjoner i vår Galaxy (også kjent som astrometri).
I så henseende ville Gaia se etter små forskyvninger i det enorme stjernefeltet den overvåker for å avgjøre om gravitasjonsbølger har passert jordens nabolag. For å undersøke om Gaia var opp til oppgaven eller ikke, utførte Moore og kollegene beregninger for å avgjøre om Gaia-romteleskopet hadde den nødvendige følsomheten for å oppdage ultralavfrekvente GW-er.
For dette formål simulerte Moore og kollegene gravitasjonsbølger produsert av et binært supermassivt svart hull - dvs. to SMBH-er som kretser om hverandre. Det de fant var at ved å komprimere datasettene med en faktor på mer enn 106 (som måler 100 000 stjerner i stedet for en milliard om gangen), kunne GWs utvinnes fra Gaia-data med bare 1% følsomhetstap.
Denne metoden vil være lik den som ble brukt i Pulsar Timing Arrays, der et sett millisekund pulsarer blir undersøkt for å bestemme om gravitasjonsbølger endrer frekvensen av deres pulser. Imidlertid overvåkes stjerner i dette tilfellet for å se om de svinger med et karakteristisk mønster, heller enn pulserende. Ved å se på et felt med 100 000 stjerner om gangen, ville forskere kunne oppdage induserte tilsynelatende bevegelser (se figur over).
På grunn av dette vil sannsynligvis full utgivelse av Gaia-data (planlagt tidlig på 2020-tallet) være en viktig mulighet for de som jakter på GW-signaler. Som Moore forklarte i a APS Fysikk pressemelding:
“Gaia vil gjøre måling av denne effekten til et realistisk utsiktssted for første gang. Mange faktorer bidrar til gjennomførbarheten av tilnærmingen, inkludert presisjon og lang varighet av astrometriske målinger. Gaia vil observere omtrent en milliard stjerner i løpet av 5–10 år, og lokalisere hver enkelt av dem minst 80 ganger i løpet av den perioden. Å observere så mange stjerner er det største fremskrittene gitt av Gaia. ”
Det er også interessant å merke seg at potensialet for GW-deteksjon var noe som forskerne anerkjente da Gaia fortsatt ble designet. Et slikt individ var Sergei A. Klioner, en forsker fra Lorhrmann-observatoriet og lederen for Gaia-gruppen ved TU Dresden. Som han antydet i sin studie fra 2017, “Gaia-lignende astrometri og gravitasjonsbølger”, kunne Gaia oppdage GWer forårsaket av sammenslåing av SMBHs år etter hendelsen:
”Det er tydelig at de mest lovende kildene til tyngdekraftsbølger for astrometrisk deteksjon er supermassive binære sorte hull i sentrum av galakser… Det antas at binære supermassive sorte hull er et relativt vanlig produkt av interaksjon og sammenslåing av galakser i det typiske løpet av deres evolusjon. Denne typen objekter kan gi gravitasjonsbølger med både frekvenser og amplituder potensielt innen roms astrometri. Dessuten kan gravitasjonsbølgene fra disse objektene ofte anses å ha tilnærmet konstant frekvens og amplitude i løpet av hele observasjonsperioden i flere år. "
Men selvfølgelig er det ingen garantier for at å bla gjennom Gaia-dataene vil avdekke flere GW-signaler. For en ting erkjenner Moore og kollegene at bølger ved disse ultra-lave frekvensene kan være for svake til at selv Gaia kan oppdage. I tillegg vil forskere være i stand til å skille mellom GWs og motstridende signaler som følger av endringer i romfartøyets orientering - noe som ikke er noen lett utfordring!
Fortsatt er det håp om at oppdrag som Gaia vil kunne avsløre GW-er som ikke er lett synlige for bakkebaserte interferometriske detektorer som LIGO og Advanced Virgo. Slike detektorer er utsatt for atmosfæriske effekter (som brytning) som forhindrer dem i å se ekstremt lave frekvensbølger - for eksempel de primordiale bølgene som ble produsert under inflasjonsepoken fra Big Bang.
I denne forstand er gravitasjonsbølgeforskning ikke ulik eksoplanettforskning og mange andre astronomifag. For å finne de skjulte perlene, kan observatorier måtte ta seg plass til å eliminere atmosfærisk interferens og øke følsomheten deres. Det er da mulig at andre romteleskoper blir omkolert for GW-forskning, og at neste generasjons GW-detektorer vil bli montert ombord i romfartøy.
I løpet av de siste årene har forskere gått fra å lage den første deteksjonen av gravitasjonsbølger til å utvikle nye og bedre måter å oppdage dem på. I det hele tatt vil det ikke vare lang tid før astronomer og kosmologer kan inkludere gravitasjonsbølger i våre kosmologiske modeller. Med andre ord vil de kunne vise hvilken innflytelse disse bølgene spilte i universets historie og evolusjon.
