În februarie 2016, oamenii de știință care lucrează pentru Observatorul Laser Interferometru Gravitational-Wave (LIGO) au făcut prima detectare a undelor gravitaționale. Din acel moment, au avut loc mai multe detecții, datorită în mare parte îmbunătățirilor instrumentelor și nivelurilor mai mari de colaborare între observatorii. Privind în viitor, este posibil ca misiunile care nu sunt proiectate în acest scop ar putea, de asemenea, „lumina lunii” ca detectori de unde gravitaționale.
De exemplu, nava spațială Gaia - care este ocupată creând harta 3D cea mai detaliată a Căii Lactee - ar putea fi de asemenea instrumentală atunci când vine vorba de cercetarea valurilor gravitaționale. Asta a afirmat recent o echipă de astronomi de la Universitatea din Cambridge. Conform studiului lor, satelitul Gaia are sensibilitatea necesară pentru a studia undele gravitaționale cu frecvență ultra-joasă care sunt produse de fuziunile super-masive ale găurilor negre.
Studiul, intitulat „Metoda de căutare astrometrică pentru surse de val gravitaționale individual rezolvabile cu Gaia”, a apărut recent în Scrisori de revizuire fizică. Condusă de Christopher J. Moore, fizician teoretic de la Centrul de Științe Matematice de la Universitatea din Cambridge, echipa a inclus membri de la Institutul de Astronomie din Cambridge, Laboratorul Cavendish și Institutul de Cosmologie Kavli.
Pentru recapitulare, undele gravitaționale (GWs) sunt ondulări în spațiu-timp care sunt create de evenimente violente, cum ar fi fuziunile găurilor negre, coliziunile dintre stelele neutronilor și chiar Big Bang. Prevazute inițial de Teoria Relativității Generale a lui Einstein, observatorii precum LIGO și Advanced Virgo detectează aceste unde măsurând modul în care spațiul-timp se flexează și se strecoară ca răspuns la GW-urile care trec pe Pământ.
Totuși, trecerea GW-urilor ar determina, de asemenea, Pământul să oscileze în locația sa în raport cu stelele. Drept urmare, un telescop spațial orbitant (cum ar fi Gaia), ar fi capabil să preia acest lucru notând o schimbare temporară în poziția stelelor îndepărtate. Lansat în 2013, observatorul Gaia a petrecut în ultimii ani efectuarea de observații de înaltă precizie a pozițiilor stelelor din Galaxia noastră (de asemenea, astrometrie).
În acest sens, Gaia ar căuta mici deplasări în câmpul masiv de stele pe care îl monitorizează pentru a determina dacă undele gravitaționale au trecut prin cartierul Pământului. Pentru a investiga dacă Gaia a avut sau nu sarcina, Moore și colegii săi au efectuat calcule pentru a determina dacă telescopul spațial Gaia a avut sensibilitatea necesară pentru a detecta GW-uri cu frecvență ultra-joasă.
În acest scop, Moore și colegii săi au simulat undele gravitaționale produse de o gaură neagră supermasivă binară - adică două SMBH-uri orbitând unul pe altul. Ceea ce au găsit a fost că prin comprimarea seturilor de date cu un factor mai mare de 106 (măsurând 100.000 de stele în loc de un miliard la un moment dat), GW-urile ar putea fi recuperate din datele Gaia cu o pierdere de doar 1% a sensibilității.
Această metodă ar fi similară cu cea utilizată în Prayar Timing Arrays, unde un set de pulsars milisecunde sunt examinate pentru a determina dacă undele gravitaționale modifică frecvența impulsurilor lor. Cu toate acestea, în acest caz, stelele sunt monitorizate pentru a vedea dacă acestea oscilează cu un model caracteristic, mai degrabă decât pulsând. Cercetând un câmp de 100.000 de stele simultan, cercetătorii ar fi capabili să detecteze mișcări aparente induse (vezi figura de mai sus).
Din această cauză, lansarea completă a datelor Gaia (programată la începutul anilor 2020) este probabil să fie o oportunitate majoră pentru cei care vânează semnale GW. După cum a explicat Moore într-o APS Fizică comunicat de presa:
„Măsura acestui efect va fi o perspectivă realistă pentru prima dată. Mulți factori contribuie la fezabilitatea abordării, inclusiv precizia și durata lungă a măsurărilor astrometrice. Gaia va observa aproximativ un miliard de stele pe parcursul a 5-10 ani, localizând-o pe fiecare dintre ele de cel puțin 80 de ori în acea perioadă. Observarea atâtor stele este avansul major oferit de Gaia. "
De asemenea, este interesant de menționat că potențialul de detectare a GW a fost ceva pe care cercetătorii l-au recunoscut atunci când Gaia încă era proiectat. Un astfel de individ a fost Serghei A. Klioner, un cercetător de la Observatorul Lorhrmann și liderul grupului Gaia la TU Dresda. Așa cum a indicat în studiul său din 2017, „Astrometrie asemănătoare Gaia și unde gravitaționale”, Gaia ar putea detecta GW-urile cauzate de fuziunea SMBHs ani după eveniment:
„Este clar că cele mai promițătoare surse de unde gravitaționale pentru detectarea astrometrică sunt găurile negre binare supermasive din centrele galaxiilor ... Se crede că găurile negre supermasive binare sunt un produs relativ comun al interacțiunii și al fuziunii galaxiilor în cursul tipic al evoluția lor. Acest tip de obiecte pot oferi unde gravitaționale atât cu frecvențe cât și cu amplitudini potențial la îndemâna astrometriei spațiale. Mai mult, undele gravitaționale de la aceste obiecte pot fi considerate adesea frecvență și amplitudine constant constante pe parcursul întregii perioade de observații de câțiva ani. "
Dar, desigur, nu există nicio garanție că setarea prin datele Gaia va dezvălui semnale GW suplimentare. Pentru un singur lucru, Moore și colegii săi recunosc că undele la aceste frecvențe ultra-joase ar putea fi prea slabe pentru ca chiar și Gaia să poată detecta. În plus, cercetătorii vor trebui să poată face distincția între GW și semnale conflictuale care rezultă din schimbări în orientarea navei spațiale - ceea ce nu este o provocare ușoară!
Cu toate acestea, există speranțe că misiuni precum Gaia vor putea dezvălui GW-uri care nu sunt ușor vizibile pentru detectoarele interferometrice bazate pe sol, cum ar fi LIGO și Advanced Virgo. Aceste detectoare sunt supuse unor efecte atmosferice (cum ar fi refracția) care le împiedică să vadă unde de frecvență extrem de joasă - de exemplu, undele primordiale produse în perioada inflaționistă a Big Bang-ului.
În acest sens, cercetarea cu valuri gravitaționale nu este spre deosebire de cercetarea exoplanetelor și de multe alte ramuri ale astronomiei. Pentru a găsi pietre prețioase ascunse, observatoarele ar putea fi nevoite să ia spațiul pentru a elimina interferențele atmosferice și pentru a le crește sensibilitatea. Este posibil ca apoi să fie preluate alte telescoape spațiale pentru cercetarea GW, iar detectoarele GW de generație viitoare să fie montate la bordul navelor spațiale.
În ultimii ani, oamenii de știință au trecut de la prima detectare a undelor gravitaționale la dezvoltarea de noi modalități mai bune de detectare a acestora. În acest ritm, nu va trece mult înainte ca astronomii și cosmologii să poată include undele gravitaționale în modelele noastre cosmologice. Cu alte cuvinte, ei vor putea arăta ce influență au jucat aceste valuri în istoria și evoluția Universului.
