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

Βαρυτικό κύμα εντοπίστηκε άμεσα για πρώτη φορά το 2015 μετά από έναν αιώνα πρόβλεψής της από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν το 1916. Όμως, η συνεχής, χαμηλή συχνότητα Βαρυτική-wave Background (GWB) που πιστεύεται ότι υπάρχει σε όλη την σύμπαν δεν έχει εντοπιστεί άμεσα μέχρι στιγμής. Οι ερευνητές στο Παρατηρητήριο Nanohertz της Βόρειας Αμερικής για Βαρυτικά Κύματα (NANOGrav) ανέφεραν πρόσφατα την ανίχνευση ενός σήματος χαμηλής συχνότητας που θα μπορούσε να είναι «Υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων (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 πρέπει να παράγουν βαρυτικά κύματα που διαδίδονται μέσω του Σύμπαν. Η γη πρέπει να είναι γεμάτη βαρυτικά κύματα από όλες τις κατευθύνσεις όλη την ώρα, αλλά αυτά δεν ανιχνεύονται γιατί γίνονται εξαιρετικά αδύναμα μέχρι να φτάσουν στη γη. Χρειάστηκε περίπου ένας αιώνας για να γίνει μια άμεση ανίχνευση βαρυτικών κυματισμών όταν το 2015 η ομάδα LIGO-Virgo κατάφερε να ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα παράγονται λόγω συγχώνευσης δύο μαύρες τρύπες βρίσκεται σε απόσταση 1.3 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη ⁽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 σε συγχώνευση δύο μαύρες τρύπες, λίγα οφείλονταν σε σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων ⁽²⁾. Όλα εντοπίστηκαν βαρυτικά κύματα μέχρι στιγμής ήταν επεισοδιακά, που προκλήθηκαν λόγω δυαδικού ζεύγους μαύρες τρύπες ή αστέρες νετρονίων σπειροειδώς και συγχωνεύονται ή συγκρούονται μεταξύ τους ⁽³⁾ και ήταν υψηλής συχνότητας, μικρού μήκους κύματος (σε χιλιοστά του δευτερολέπτου εύρους).   

Ωστόσο, δεδομένου ότι υπάρχει πιθανότητα μεγάλου αριθμού πηγών του βαρυτικά κύματα στο σύμπαν άρα πολλά βαρυτικά κύματα μαζί από παντού σύμπαν μπορεί να περνά συνεχώς μέσα από τη γη όλη την ώρα σχηματίζοντας φόντο ή θόρυβο. Αυτό θα πρέπει να είναι συνεχές, τυχαίο και μικρού κύματος χαμηλής συχνότητας. Εκτιμάται ότι κάποιο τμήμα του μπορεί να προήλθε ακόμη και από τη Μεγάλη Έκρηξη. Που ονομάζεται Βαρυτική-wave Background (GWB), αυτό δεν έχει εντοπιστεί μέχρι στιγμής ⁽³⁾.  

Αλλά μπορεί να είμαστε στα πρόθυρα μιας σημαντικής ανακάλυψης – οι ερευνητές στο Βορειοαμερικανικό Παρατηρητήριο Nanohertz για Βαρυτικά Κύματα (NANOGrav) ανέφεραν ανίχνευση σήματος χαμηλής συχνότητας που θα μπορούσε να είναι «Φόντο βαρυτικών κυμάτων (GWB) ^(4,5,6).  

Σε αντίθεση με την ομάδα LIGO-virgo που εντόπισε βαρυτικό κύμα από μεμονωμένα ζεύγη μαύρες τρύπες, η ομάδα NANOGrav έψαξε για επίμονο, θόρυβο, "συνδυασμένο" βαρυτικό κύμα δημιουργήθηκε για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα από αμέτρητους μαύρες τρύπες στο σύμπαν. Η εστίαση ήταν στο «πολύ μεγάλο μήκος κύματος» βαρυτικό κύμα στο άλλο άκρο του «φάσματος βαρυτικών κυμάτων».

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 (MSP) 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 χιλιοστών του δευτερολέπτου (MSP) για συσχετισμένες αλλαγές στον χρόνο άφιξης των σημάτων στη Γη, δημιουργώντας έτσι ένα «γαλαξίας-μεγέθους» ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων μέσα στο δικό μας γαλαξίας. Η ομάδα δημιούργησε μια διάταξη χρονισμού πάλσαρ μελετώντας 47 τέτοια πάλσαρ. Το Αστεροσκοπείο Arecibo και το τηλεσκόπιο Green Bank ήταν τα ραδιόφωνο τηλεσκόπια που χρησιμοποιούνται 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, οι επιστήμονες εξαρτώνταν αποκλειστικά από ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες όπως φως, ακτίνες Χ, ραδιόφωνο κύμα κ.λπ. Καθώς είναι εντελώς άσχετη με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η ανίχνευση της βαρύτητας το 2015 άνοιξε ένα νέο παράθυρο ευκαιρίας στους επιστήμονες να μελετήσουν τα ουράνια σώματα και να κατανοήσουν το σύμπαν ειδικά εκείνα τα ουράνια γεγονότα που είναι αόρατα στους ηλεκτρομαγνητικούς αστρονόμους. Επιπλέον, σε αντίθεση με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, τα βαρυτικά κύματα δεν αλληλεπιδρούν με την ύλη, επομένως ταξιδεύουν ουσιαστικά ανεμπόδιστα μεταφέροντας πληροφορίες για την προέλευση και την πηγή τους χωρίς παραμόρφωση.⁽³⁾

Η ανίχνευση φόντου βαρυτικών κυμάτων (GWB) θα διεύρυνε περαιτέρω την ευκαιρία. Μπορεί ακόμη να καταστεί δυνατό να ανιχνευθούν τα κύματα που δημιουργούνται από τη Μεγάλη Έκρηξη, κάτι που μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε την προέλευση σύμπαν με καλύτερο τρόπο.

***

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  

***