Pozadina gravitacijskih valova (GWB): proboj u izravnoj detekciji

Gravitacijski val prvi je put izravno otkriven 2015. nakon stoljeća predviđanja Einsteinove Opće teorije relativnosti 1916. No, kontinuirana, niska frekvencija gravitacijsko-valnu pozadinu (GWB) za koju se smatra da je prisutna u cijelom svemir do sada nije izravno otkrivena. Istraživači sjevernoameričkog Nanohertz opservatorija za Gravitacijski valovi (NANOGrav) nedavno su izvijestili o detekciji niskofrekventnog signala koji bi mogao biti 'pozadina gravitacijskih valova (GWB)'.   

Opća teorija relativnosti koju je predložio Einstein 1916. predviđa da će veliki kozmički događaji poput supernove ili spajanja Crne rupe treba proizvesti gravitacijski valovi koji se šire kroz Svemir. Zemlja bi trebala biti preplavljena gravitacijski valovi iz svih smjerova cijelo vrijeme, ali oni su neotkriveni jer postaju izuzetno slabi do trenutka kada stignu na zemlju. Bilo je potrebno oko jedno stoljeće za izravnu detekciju gravitacijskih valova kada je 2015. tim LIGO-Virgo uspio u detekciji gravitacijski valovi nastala spajanjem dviju Crne rupe nalazi se na udaljenosti od 1.3 milijarde svjetlosnih godina od Zemlje ⁽¹⁾. To je također značilo da su otkriveni talasi bili nositelji informacija o kozmičkom događaju koji se dogodio prije oko 1.3 milijarde godina.  

Od prvog otkrivanja 2015. dobar broj gravitacijski talasi snimljeni su do danas. Većina njih nastala je zbog spajanja dvaju poduzeća Crne rupe, malo ih je bilo zbog sudara dviju neutronskih zvijezda ⁽²⁾. Sve otkriveno gravitacijski valovi do sada su bili epizodni, uzrokovani binarnim parom Crne rupe ili neutronske zvijezde koje se spiralno spajaju ili sudaraju jedna s drugom ⁽³⁾ i bili su visoke frekvencije, kratke valne duljine (u rasponu milisekundi).   

Međutim, budući da postoji mogućnost velikog broja izvora gravitacijski valovi u svemir dakle mnogi gravitacijski valovi zajedno sa svih strana svemir može neprekidno prolaziti kroz zemlju cijelo vrijeme stvarajući pozadinu ili buku. Ovo bi trebalo biti kontinuirano, nasumično i niske frekvencije, mali val. Procjenjuje se da bi neki dio mogao čak potjecati od Velikog praska. Nazvana gravitacijsko-wave Background (GWB), ovo do sada nije otkriveno ⁽³⁾.  

Ali možda smo na rubu otkrića - istraživači sa Sjevernoameričkog opservatorija Nanohertz za Gravitacijski valovi (NANOGrav) izvijestili su o detekciji niskofrekventnog signala koji bi mogao biti 'pozadina gravitacijskih valova (GWB) ^(4,5,6).  

Za razliku od LIGO-virgo tima koji je otkrio gravitacijski val od pojedinačnih parova Crne rupe, NANOGrav tim je tražio uporne, poput buke, 'kombinirane' gravitacijski val stvoreno tijekom vrlo dugog vremenskog razdoblja od bezbrojnih Crne rupe u svemir. Fokus je bio na 'vrlo velikoj valnoj duljini' gravitacijski val na drugom kraju 'spektra gravitacijskih valova'.

Za razliku od svjetlosti i drugih elektromagnetskih zračenja, gravitacijski valovi se ne mogu izravno promatrati teleskopom.  

Odabrao je tim NANOGrav milisekundu pulsare (MSP) koji rotiraju vrlo brzo s dugoročnom stabilnošću. Postoji stalan uzorak svjetlosti koji dolazi iz ovih pulsera koji bi trebao biti izmijenjen gravitacijskim valom. Ideja je bila promatrati i pratiti skup ultrastabilnih milisekundnih pulsara (MSP) za korelirane promjene u vremenu dolaska signala na Zemlju, stvarajući tako "galaksija-veličine” detektor gravitacijskih valova unutar našeg vlastitog galaksija. Tim je stvorio vremenski niz proučavajući 47 takvih pulsara. Zvjezdarnica Arecibo i teleskop Green Bank bili su radio teleskopi korišteni za mjerenja.   

Do sada dobiveni skup podataka uključuje 47 MSP-a i više od 12.5 godina promatranja. Na temelju toga nije moguće nedvosmisleno dokazati izravnu detekciju GWB-a, iako detektirani niskofrekventni signali to itekako ukazuju. Možda bi sljedeći korak bio uključiti više pulsara u niz i proučavati ih dulje vrijeme kako bi se povećala osjetljivost.  

Za proučavanje svemirznanstvenici su isključivo ovisili o elektromagnetskim zračenjima poput svjetlosti, X-zraka, radio val itd. Budući da je potpuno nepovezano s elektromagnetskim zračenjem, otkrivanje gravitacijskog 2015. otvorilo je novi prozor mogućnosti znanstvenicima za proučavanje nebeskih tijela i razumijevanje svemir posebno onih nebeskih događaja koji su nevidljivi elektromagnetskim astronomima. Nadalje, za razliku od elektromagnetskog zračenja, gravitacijski valovi ne stupaju u interakciju s materijom stoga putuju gotovo nesmetano noseći informacije o svom podrijetlu i izvoru bez ikakvih izobličenja.⁽³⁾

Detekcija pozadine gravitacijskih valova (GWB) dodatno bi proširila mogućnosti. Možda čak postane moguće detektirati valove generirane od Velikog praska što nam može pomoći u razumijevanju podrijetla svemir na bolji način.

***

Reference:  

1. Castelvecchi D. i Witze A., 2016. Konačno pronađeni Einsteinovi gravitacijski valovi. Vijesti iz prirode 11. veljače 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. Što 50 događaja gravitacijskih valova otkriva o Svemiru. Vijesti iz prirode objavljene 30. listopada 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Izvori i vrste gravitacijskih valova. Dostupno online na https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Pristupljeno 12. siječnja 2021. 

4. NANOGrav Collaboration, 2021. NANOGrav pronalazi moguće 'prve naznake' pozadine niskofrekventnih gravitacijskih valova. Dostupno online na http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Pristupljeno 12. siječnja 2021 

5. NANOGrav Collaboration 2021. Press briefing – Searching for the Gravitation-Wave Background in 12.5 years of NANOGrav Data. 11. siječnja 2021. Dostupno online na adresi http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

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

***