Υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων (GWB): Μια σημαντική πρόοδος στην άμεση ανίχνευση

Βαρυτική wave was directly detected for the first time in 2015 after a century of its prediction by Einstein’s General Theory of Relativity in 1916. But, the continuous, low frequency Gravitational-wave Background (GWB) that is thought to be present throughout the σύμπαν has not been detected directly so far. The researchers at North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) have recently reported detection of a low-frequency signal that could be ‘Gravitational-wave Background (GWB)’.   

Η γενική θεωρία της σχετικότητας που προτάθηκε από τον Αϊνστάιν το 1916 προβλέπει ότι σημαντικά κοσμικά γεγονότα όπως η σουπερνόβα ή η συγχώνευση μαύρες τρύπες should produce gravitational waves that propagate through the Σύμπαν. Earth should be awash with gravitational waves from all directions all the time but these are undetected because they become extremely weak by the time they reach earth. It took about a century to make a direct detection of gravitational ripples when in 2015 LIGO-Virgo team was successful in detecting gravitational waves produced due to merger of two black holes situated at a distance of 1.3 billion light-years from the Earth ⁽¹⁾. Αυτό σήμαινε επίσης ότι οι κυματισμοί που εντοπίστηκαν ήταν φορείς πληροφοριών για το κοσμικό γεγονός που έλαβε χώρα πριν από περίπου 1.3 δισεκατομμύρια χρόνια.  

Από την πρώτη ανίχνευση το 2015, ένας καλός αριθμός κυματισμοί βαρύτητας έχουν καταγραφεί μέχρι σήμερα. Τα περισσότερα από αυτά οφείλονταν στη συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών, λίγα οφείλονταν σε σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων ⁽²⁾. Όλα τα βαρυτικά κύματα που έχουν ανιχνευθεί μέχρι στιγμής ήταν επεισοδιακά, που προκλήθηκαν λόγω του δυαδικού ζεύγους μαύρων οπών ή άστρων νετρονίων που σπειροειδώς συγχωνεύονται ή συγκρούονται μεταξύ τους ⁽³⁾ και ήταν υψηλής συχνότητας, μικρού μήκους κύματος (σε χιλιοστά του δευτερολέπτου εύρους).   

However, since there is possibility of large number of sources of gravitational waves in the σύμπαν hence many gravitational waves together from all over the σύμπαν may be continuously passing through the earth all the time forming a background or noise. This should be continuous, random and of low frequency small wave. It is estimated that some part of it may even have originated from the Big Bang. Called Gravitational-wave Background (GWB), this has not been detected so far ⁽³⁾.  

Αλλά μπορεί να βρισκόμαστε στα πρόθυρα μιας σημαντικής ανακάλυψης – οι ερευνητές στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων της Βόρειας Αμερικής Nanohertz (NANOGrav) ανέφεραν ανίχνευση ενός σήματος χαμηλής συχνότητας που θα μπορούσε να είναι «Υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων (GWB) ^(4,5,6).  

Unlike LIGO-virgo team who detected gravitational wave from individual pairs of black holes, NANOGrav team have looked for persistent, noise like, ‘combined’ gravitational wave created over very long period of time by countless blackholes in the σύμπαν. The focus was on ‘very long wavelength’ gravitational wave at the other end of ‘gravitational wave spectrum’.

Σε αντίθεση με το φως και άλλες ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες, τα βαρυτικά κύματα δεν μπορούν να παρατηρηθούν απευθείας με τηλεσκόπιο.  

Η ομάδα NANOGrav επέλεξε χιλιοστά του δευτερολέπτου πάλσαρ (MSPs) που περιστρέφονται πολύ γρήγορα με μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Υπάρχει σταθερό μοτίβο φωτός που προέρχεται από αυτούς τους παλλόμενους που θα πρέπει να αλλοιωθεί από το βαρυτικό κύμα. Η ιδέα ήταν να παρατηρήσουμε και να παρακολουθήσουμε ένα σύνολο εξαιρετικά σταθερών πάλσαρ του χιλιοστού του δευτερολέπτου (MSP) για συσχετισμένες αλλαγές στον χρόνο άφιξης των σημάτων στη Γη, δημιουργώντας έτσι έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων «μεγέθους Γαλαξία» μέσα στον δικό μας γαλαξία. Η ομάδα δημιούργησε μια διάταξη χρονισμού πάλσαρ μελετώντας 47 τέτοια πάλσαρ. Το Αστεροσκοπείο Arecibo και το Green Bank Telescope ήταν τα ραδιοτηλεσκόπια που χρησιμοποιήθηκαν για τις μετρήσεις.   

Το σύνολο δεδομένων που έχει ληφθεί μέχρι στιγμής περιλαμβάνει 47 MSP και πάνω από 12.5 χρόνια παρατηρήσεων. Με βάση αυτό, δεν είναι δυνατό να αποδειχθεί με βεβαιότητα η άμεση ανίχνευση του GWB, αν και τα ανιχνευόμενα σήματα χαμηλής συχνότητας το δείχνουν σε μεγάλο βαθμό. Ίσως, το επόμενο βήμα θα ήταν να συμπεριλάβουμε περισσότερα πάλσαρ στη συστοιχία και να τα μελετήσουμε για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να ενισχύσουμε την ευαισθησία.  

Να μελετήσει το σύμπαν, scientists were exclusively dependant on electromagnetic radiations like light, X-ray, radio wave etc. Being completely unrelated to electromagnetic radiation, detection of gravitational in 2015 opened a new window of opportunity to scientists to study celestial bodies and understanding the σύμπαν especially those celestial events which are invisible to electromagnetic astronomers. Further, unlike electromagnetic radiation, gravitational waves do not interact with matter hence travel virtually unimpeded carrying information about their origin and source free of any distortion.⁽³⁾

Detection of Gravitational-wave Background (GWB) would broaden the opportunity further. It may even become possible to detect the waves generated from Big Bang which may help us understand origin of σύμπαν in a better way.

***

αναφορές:  

1. Castelvecchi D. and Witze A., 2016. Επιτέλους βρέθηκαν τα βαρυτικά κύματα του Αϊνστάιν. Nature News 11 Φεβρουαρίου 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. Τι αποκαλύπτουν 50 γεγονότα βαρυτικών κυμάτων για το Σύμπαν. Nature News Δημοσιεύθηκε στις 30 Οκτωβρίου 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Πηγές και τύποι βαρυτικών κυμάτων. Διαθέσιμο online στο https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Πρόσβαση στις 12 Ιανουαρίου 2021. 

4. NANOGrav Collaboration, 2021. Το NANOGrav βρίσκει πιθανές «πρώτες συμβουλές» για το φόντο βαρυτικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας. Διαθέσιμο online στο http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Πρόσβαση στις 12 Ιανουαρίου 2021 

5. Συνεργασία NANOGrav 2021. Ενημέρωση τύπου – Αναζήτηση του φόντου βαρυτικών κυμάτων σε 12.5 χρόνια δεδομένων NANOGrav. 11 Ιανουαρίου 2021. Διαθέσιμο στο διαδίκτυο στη διεύθυνση http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Search for an Isotropic Stochastic Gravitational-wave Background. The Astrophysical Journal Letters, Volume 905, Number 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***