Τον Φεβρουάριο του 2016, οι επιστήμονες που εργάζονταν για το Παρατηρητήριο Βαρύτητας-Κύματος του Ιντερφερόμετρου (LIGO) πραγματοποίησαν την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Από τότε, έχουν πραγματοποιηθεί πολλές ανιχνεύσεις, χάρη σε μεγάλο βαθμό στις βελτιώσεις των οργάνων και στα μεγαλύτερα επίπεδα συνεργασίας μεταξύ των παρατηρητηρίων. Κοιτώντας μπροστά, είναι πιθανό οι αποστολές που δεν έχουν σχεδιαστεί για αυτόν τον σκοπό να μπορούσαν επίσης να «φεγγαρόφωτα» ως ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων.
Για παράδειγμα, το διαστημικό σκάφος Gaia - το οποίο είναι απασχολημένο με τη δημιουργία του πιο λεπτομερούς τρισδιάστατου χάρτη του Γαλαξία - θα μπορούσε επίσης να είναι καθοριστικό όταν πρόκειται για έρευνα βαρυτικών κυμάτων. Αυτό ισχυρίστηκε πρόσφατα μια ομάδα αστρονόμων από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ. Σύμφωνα με τη μελέτη τους, ο δορυφόρος Gaia έχει την απαραίτητη ευαισθησία για να μελετήσει τα κύματα βαρύτητας εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας που παράγονται από υπερμεγέθεις συγχωνεύσεις μαύρων οπών.
Η μελέτη, με τίτλο «Αστρομετρική μέθοδος αναζήτησης για ατομικά επιλύσιμες βαρυτικές πηγές κύματος με Gaia», εμφανίστηκε πρόσφατα στο Επιστολές φυσικής αναθεώρησης. Με επικεφαλής τον Christopher J. Moore, θεωρητικό φυσικό από το Κέντρο Μαθηματικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, η ομάδα περιελάμβανε μέλη από το Ινστιτούτο Αστρονομίας του Cambridge, το εργαστήριο Cavendish και το Ινστιτούτο Κοσμολογίας του Kavli.
Για να ανακεφαλαιώσουμε, τα κύματα βαρύτητας (GW) είναι κυματισμοί στο χωροχρόνο που δημιουργούνται από βίαια γεγονότα, όπως συγχωνεύσεις μαύρων οπών, συγκρούσεις μεταξύ αστεριών νετρονίων και ακόμη και το Big Bang. Αρχικά προβλέφθηκε από τη Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, παρατηρητήρια όπως το LIGO και το Advanced Virgo ανιχνεύουν αυτά τα κύματα μετρώντας τον τρόπο με τον οποίο ο χωρικός χρόνος κάμπτεται και συμπιέζεται σε απόκριση των GW που διέρχονται από τη Γη.
Ωστόσο, η διέλευση των GW θα προκαλούσε επίσης τη Γη να ταλαντεύεται στη θέση της σε σχέση με τα αστέρια. Ως αποτέλεσμα, ένα διαστημικό τηλεσκόπιο σε τροχιά (όπως η Γαία), θα μπορούσε να το αντιληφθεί σημειώνοντας μια προσωρινή μετατόπιση στη θέση των μακρινών αστεριών. Ξεκίνησε το 2013, το παρατηρητήριο της Gaia έχει περάσει τα τελευταία χρόνια κάνοντας παρατηρήσεις υψηλής ακρίβειας για τις θέσεις των αστεριών στον Γαλαξία μας (γνωστός και ως αστρομετρία).
Από αυτή την άποψη, η Γαία θα αναζητούσε μικρές μετατοπίσεις στο τεράστιο πεδίο των αστεριών που παρακολουθεί για να προσδιορίσει εάν τα κύματα βαρύτητας έχουν περάσει από τη γειτονιά της Γης. Για να διερευνήσει κατά πόσον ή όχι η Gaia, ο Moore και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν υπολογισμούς για να προσδιορίσουν εάν το διαστημικό τηλεσκόπιο Gaia είχε την απαραίτητη ευαισθησία για την ανίχνευση GW πολύ χαμηλής συχνότητας.
Για το σκοπό αυτό, ο Moore και οι συνάδελφοί του προσομοίωσαν τα βαρυτικά κύματα που παράγονται από μια δυαδική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα - δηλαδή δύο SMBHs σε τροχιά μεταξύ τους. Αυτό που βρήκαν ήταν ότι με τη συμπίεση των συνόλων δεδομένων με παράγοντα μεγαλύτερο από 106 (μετρώντας 100.000 αστέρια αντί για ένα δισεκατομμύριο κάθε φορά), οι GW θα μπορούσαν να ανακτηθούν από τα δεδομένα της Gaia με απώλεια ευαισθησίας μόνο 1%.
Αυτή η μέθοδος θα ήταν παρόμοια με εκείνη που χρησιμοποιείται στις συστοιχίες χρονισμού Pulsar, όπου εξετάζεται ένα σύνολο πάλσαρ χιλιοστών του δευτερολέπτου για να προσδιοριστεί εάν τα βαρυτικά κύματα τροποποιούν τη συχνότητα των παλμών τους. Ωστόσο, σε αυτήν την περίπτωση, τα αστέρια παρακολουθούνται για να δουν αν ταλαντεύονται με ένα χαρακτηριστικό μοτίβο, αντί να παλμούν. Κοιτάζοντας ένα πεδίο 100.000 αστεριών κάθε φορά, οι ερευνητές θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν τις προκληθείσες προφανείς κινήσεις (βλ. Σχήμα παραπάνω).
Εξαιτίας αυτού, η πλήρης κυκλοφορία δεδομένων Gaia (προγραμματισμένη για τις αρχές της δεκαετίας του 2020) είναι πιθανό να είναι μια σημαντική ευκαιρία για όσους κυνηγούν σήματα GW. Όπως εξήγησε ο Μουρ στο α Φυσική APS δελτίο τύπου:
«Η Gaia θα κάνει τη μέτρηση αυτού του αποτελέσματος μια ρεαλιστική προοπτική για πρώτη φορά. Πολλοί παράγοντες συμβάλλουν στη σκοπιμότητα της προσέγγισης, συμπεριλαμβανομένης της ακρίβειας και της μεγάλης διάρκειας των αστρομετρικών μετρήσεων. Η Γαία θα παρατηρήσει περίπου ένα δισεκατομμύριο αστέρια για 5-10 χρόνια, εντοπίζοντας κάθε ένα από αυτά τουλάχιστον 80 φορές κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Παρατηρώντας τόσα πολλά αστέρια είναι η σημαντική πρόοδος που παρέχει η Gaia. "
Είναι επίσης ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η πιθανότητα ανίχνευσης GW ήταν κάτι που οι ερευνητές αναγνώρισαν όταν ο Gaia ήταν ακόμα σχεδιασμένος. Ένα τέτοιο άτομο ήταν ο Σεργκέι Α. Klioner, ερευνητής από το Παρατηρητήριο Lorhrmann και ηγέτης της ομάδας Gaia στο TU Dresden. Όπως έδειξε στη μελέτη του 2017, «Αστρομετρία και βαρυτικά κύματα τύπου Gaia», η Gaia μπορούσε να εντοπίσει GW που προκλήθηκαν από τη συγχώνευση SMBHs χρόνια μετά την εκδήλωση:
«Είναι σαφές ότι οι πιο ελπιδοφόρες πηγές βαρυτικών κυμάτων για αστρομετρική ανίχνευση είναι οι υπερμεγέθεις δυαδικές μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών… Πιστεύεται ότι οι δυαδικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι ένα σχετικά κοινό προϊόν αλληλεπίδρασης και συγχώνευσης γαλαξιών στην τυπική πορεία την εξέλιξή τους. Αυτό το είδος αντικειμένων μπορεί να δώσει βαρυτικά κύματα και με τις συχνότητες και τα πλάτη δυνητικά εντός της διαστημικής αστρομετρίας. Επιπλέον, τα κύματα βαρύτητας από αυτά τα αντικείμενα μπορούν συχνά να θεωρηθούν ότι έχουν σχεδόν σταθερή συχνότητα και πλάτος καθ 'όλη τη διάρκεια των παρατηρήσεων αρκετών ετών. "
Αλλά φυσικά, δεν υπάρχουν εγγυήσεις ότι η διαλογή των δεδομένων Gaia θα αποκαλύψει επιπλέον σήματα GW. Πρώτον, ο Moore και οι συνάδελφοί του αναγνωρίζουν ότι τα κύματα σε αυτές τις εξαιρετικά χαμηλές συχνότητες θα μπορούσαν να είναι πολύ αδύναμα για να το ανιχνεύσει ακόμη και η Gaia. Επιπλέον, οι ερευνητές θα πρέπει να είναι σε θέση να διακρίνουν μεταξύ GW και αντιφατικών σημάτων που προκύπτουν από αλλαγές στον προσανατολισμό του διαστημικού σκάφους - κάτι που δεν είναι εύκολη πρόκληση!
Ωστόσο, υπάρχει ελπίδα ότι αποστολές όπως η Gaia θα είναι σε θέση να αποκαλύψουν GW που δεν είναι εύκολα ορατά στους επίγειους ενδομετρικούς ανιχνευτές όπως το LIGO και το Advanced Virgo. Τέτοιοι ανιχνευτές υπόκεινται σε ατμοσφαιρικά αποτελέσματα (όπως διάθλαση) που τους εμποδίζουν να βλέπουν κύματα εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας - για παράδειγμα, τα αρχέγονα κύματα που παράγονται κατά τη διάρκεια της πληθωριστικής εποχής του Big Bang.
Υπό αυτήν την έννοια, η βαρυτική έρευνα κυμάτων δεν είναι διαφορετική από την έρευνα εξωπλανητών και πολλούς άλλους κλάδους της αστρονομίας. Προκειμένου να βρεθούν οι κρυμμένοι πολύτιμοι λίθοι, τα παρατηρητήρια μπορεί να χρειαστεί να φτάσουν στο διάστημα για να εξαλείψουν τις ατμοσφαιρικές παρεμβολές και να αυξήσουν την ευαισθησία τους. Είναι πιθανό λοιπόν ότι άλλα διαστημικά τηλεσκόπια θα επανεξεταστούν για έρευνα GW και ότι ανιχνευτές GW επόμενης γενιάς θα τοποθετηθούν στο διαστημικό σκάφος.
Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες έχουν περάσει από την πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων στην ανάπτυξη νέων και καλύτερων τρόπων ανίχνευσής τους. Σε αυτό το ποσοστό, δεν θα περάσει πολύς καιρός οι αστρονόμοι και οι κοσμολόγοι να μπορέσουν να συμπεριλάβουν τα βαρυτικά κύματα στα κοσμολογικά μοντέλα μας. Με άλλα λόγια, θα είναι σε θέση να δείξουν τι επηρεάζουν αυτά τα κύματα που έπαιξαν στην ιστορία και την εξέλιξη του Σύμπαντος.
