Helmikuussa 2016 Laserinterferometrin gravitaatioaalto-observatoriossa (LIGO) työskentelevät tutkijat havaitsivat ensimmäisen kerran gravitaatioaallot. Siitä lähtien on tehty useita havaintoja, johtuen suurelta osin instrumenttien parannuksista ja observatorioiden välisen yhteistyön lisääntymisestä. Katse eteenpäin on mahdollista, että operaatiot, joita ei ole suunniteltu tätä tarkoitusta varten, voisivat myös "kuutamo" gravitaatioaaltoilmaisimina.
Esimerkiksi Gaia-avaruusalus, joka on kiireinen Linnunradan yksityiskohtaisimman 3D-kartan luomisessa, voisi myös olla avuksi painovoima-aaltojen tutkimuksessa. Juuri sitä väitti Cambridgen yliopiston tähtitieteilijöiden ryhmä äskettäin. Tutkimuksensa mukaan Gaia-satelliitilla on tarvittava herkkyys tutkia erittäin matalataajuisia painovoima-aaltoja, joita syntyy supermassiivisten mustan aukon sulautumien avulla.
Tutkimus, jonka otsikko on “Astrometrinen hakumenetelmä yksilöllisesti erotettavissa oleville gravitaatioaallolähteille Gaian kanssa”, ilmestyi äskettäin Fyysiset tarkistuskirjeet. Cambridge Universityn matemaattisten tieteiden keskuksen teoreettisen fyysikon Christopher J. Mooren johtamana ryhmään kuuluivat jäsenet Cambridgen tähtitieteen instituutista, Cavendish-laboratoriosta ja Kavlin kosmologiainstituutista.
Yhteenvetona voidaan mainita, että gravitaatioaallot (GW) ovat avaruusaikaisen värinää, jonka synnyttävät väkivaltaiset tapahtumat, kuten mustien aukkojen sulautumiset, neutronitähtien väliset törmäykset ja jopa iso räjähdys. Alun perin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennustamana, observatoriat, kuten LIGO ja Advanced Virgo, havaitsevat nämä aallot mittaamalla tapaa, jolla avaruus-aika taipuu ja puristuu vasteena Maan läpi kulkeville GW: ille.
GW: n ohittaminen aiheuttaisi kuitenkin myös maan värähtelyn sijainnissaan tähtijen suhteen. Seurauksena kiertoradalla oleva avaruusteleskooppi (kuten Gaia) pystyisi tarttumaan tähän huomauttamalla väliaikaisen siirtymisen kaukaisten tähtien sijaintiin. Vuonna 2013 perustettu Gaian observatorio on viettänyt viime vuosina tarkkaavaisuuksia tähtijen sijainneista galaksissamme (alias. Astrometria).
Tältä osin Gaia etsisi pieniä siirtymiä valtavassa tähdekentässä, jota se tarkkailee selvittääkseen, ovatko painovoima-aallot kulkeneet maan naapuruston läpi. Moore ja hänen kollegansa suorittivat laskelmia selvittääkseen, oliko Gaia tehtävässään vai ei, Moore ja hänen kollegansa tekivät laskelmia selvittääkseen, oliko Gaian avaruusteleskoopilla tarvittava herkkyys ultra-matalataajuisten GW: ien havaitsemiseksi.
Tätä varten Moore ja hänen kollegansa simuloivat binaarisen supermassiivisen mustan aukon tuottamaa painovoima-aaltoa - ts. Kahta toistensa kiertävää SMBH: ta. He havaitsivat, että pakkaamalla tietojoukot kertoimella yli 106 (mittaamalla 100 000 tähteä miljardin sijasta kerrallaan), GW: t voitiin saada Gaian tiedoista vain 1%: n herkkyyshäviöllä.
Tämä menetelmä olisi samanlainen kuin mitä käytettiin Pulsar-ajoitusryhmissä, joissa tutkitaan millisekunnin pulsaatoreiden joukko määrittääkseen, muuttavatko painovoima-aallot pulssiensa taajuutta. Tällöin tähtiä kuitenkin tarkkaillaan, jotta nähdään, värähtelevätkö ne ominaispiirrettä kuvion sijasta pulssamisen sijaan. Tarkastelemalla 100 000 tähden kerrosta kerrallaan, tutkijat pystyisivät havaitsemaan aiheuttamat näennäiset liikkeet (katso kuva yllä).
Tämän vuoksi Gaian tietojen täydellinen julkaiseminen (suunniteltu 2020-luvun alkupuolelle) on todennäköisesti tärkeä tilaisuus GW-signaalien metsästäjille. Kuten Moore selitti a APS-fysiikka Lehdistötiedote:
”Gaia tekee tämän vaikutuksen mittaamisesta realistisen näkymän ensimmäistä kertaa. Lähestymistavan toteutettavuuteen vaikuttavat monet tekijät, mukaan lukien astrometristen mittausten tarkkuus ja pitkä kesto. Gaia havaitsee noin miljardin tähden 5–10 vuoden aikana, ja jokainen niistä on ainakin 80 kertaa kyseisenä ajanjaksona. Niin monen tähden havaitseminen on Gaian tärkeä edistysaskel. "
On myös mielenkiintoista huomata, että GW-havaitsemispotentiaali oli jotain, jonka tutkijat tunnustivat, kun Gaiaa vielä kehitettiin. Yksi tällainen henkilö oli Lorhrmannin observatorion tutkija ja TU Dresdenin Gaia-ryhmän johtaja Sergei A. Klioner. Kuten hän totesi vuoden 2017 tutkimuksessaan ”Gaian kaltainen astrometria ja gravitaatioaallot”, Gaia pystyi havaitsemaan SMB: ien sulautumisen aiheuttamat GW: t vuosia tapahtuman jälkeen:
”On selvää, että lupaavimmat gravitaatioaaltojen lähteet astrometriseen havaitsemiseen ovat supermassiiviset binaariset mustat aukot galaksien keskuksissa. Uskotaan, että binaariset supermassiiviset mustat aukot ovat suhteellisen yleinen tuote galaksien vuorovaikutuksesta ja sulautumisesta tyypillisessä prosessissa. heidän evoluutio. Tällaiset esineet voivat antaa painovoima-aaltoja sekä taajuuksilla että amplitudilla mahdollisesti avaruusastrometrian ulottuvilla. Lisäksi näiden esineiden painovoima-aaltojen voidaan usein katsoa olevan käytännöllisesti vakiona taajuudella ja amplitudilla koko usean vuoden havaintojakson ajan. "
Mutta tietenkin, ei ole mitään takeita siitä, että seulominen Gaian tietojen avulla paljastaa ylimääräisiä GW-signaaleja. Yhtäältä Moore ja hänen kollegansa myöntävät, että aallot näillä erittäin matalilla taajuuksilla voivat olla liian heikkoja, jotta Gaia voisi jopa havaita ne. Lisäksi tutkijoiden on kyettävä erottamaan GW: t ja ristiriitaiset signaalit, jotka johtuvat avaruusaluksen suunnan muutoksista - mikä ei ole helppo haaste!
Silti on toivoa, että Gaian kaltaiset operaatiot pystyvät paljastamaan GW: t, jotka eivät ole helposti näkyvissä maanpäällisille interferometrisille ilmaisimille, kuten LIGO ja Advanced Virgo. Tällaisissa ilmaisimissa on ilmakehän vaikutuksia (kuten taittumista), jotka estävät heitä näkemästä erittäin matalataajuisia aaltoja - esimerkiksi pääaallot, joita syntyy Ison räjähdyksen aikaan.
Tässä mielessä gravitaatioaaltotutkimus ei ole toisin kuin eksoplaneettatutkimus ja monet muut tähtitieteen haarat. Piilotettujen jalokivien löytämiseksi observatorioiden on ehkä jouduttava ottamaan avaruuteen ilmakehän häiriöiden poistamiseksi ja niiden herkkyyden lisäämiseksi. On mahdollista, että muut avaruusteleskoopit retooidaan GW-tutkimusta varten ja että seuraavan sukupolven GW-ilmaisimet asennetaan avaruusaluksiin.
Muutaman viime vuoden aikana tutkijat ovat siirtyneet ensimmäisestä gravitaatioaaltojen havaitsemisesta kehittämään uusia ja parempia tapoja niiden havaitsemiseksi. Tällä nopeudella ei kulua kauan ennen kuin tähtitieteilijät ja kosmologit pystyvät sisällyttämään painovoima-aallot kosmologisiin malleihimme. Toisin sanoen he pystyvät osoittamaan, miten nämä aallot vaikuttivat maailmankaikkeuden historiaan ja evoluutioon.
