I februar 2016 foretog forskere, der arbejdede for Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) den første nogensinde af gravitationsbølger. Siden den tid har der foregået flere detektioner, stort set takket være forbedringer i instrumenter og større niveauer af samarbejde mellem observatorier. Når vi ser fremad, er det muligt, at missioner, der ikke er designet til dette formål, også kunne "måneskin" som tyngdepunktbølgedetektorer.
For eksempel kan Gaia-rumfartøjet - som er travlt med at skabe det mest detaljerede 3D-kort over Mælkevejen - også være et instrument, når det gælder gravitationsbølgeforskning. Det er, hvad et team af astronomer fra University of Cambridge for nylig hævdede. Ifølge deres undersøgelse har Gaia-satellitten den nødvendige følsomhed til at undersøge ultralavfrekvente tyngdekraftsbølger, der er produceret af supermassive fusioner med sort hul.
Undersøgelsen med titlen "Astrometrisk søgemetode til individuelt opløselige tyngdekraftsbølger med Gaia" dukkede for nylig op i Fysiske gennemgangsbreve. Under ledelse af Christopher J. Moore, en teoretisk fysiker fra Center for matematiske videnskaber ved University of Cambridge, inkluderede teamet medlemmer fra Cambridges Institut for Astronomi, Cavendish Laboratory og Kavli Institute for Cosmology.
For at opsummere er gravitationsbølger (GW'er) krusninger i rummet, der skabes af voldelige begivenheder, såsom fusioner af sorte huler, kollisioner mellem neutronstjerner og endda Big Bang. Oprindeligt forudsagt af Einsteins teori om generel relativitet, observatorier som LIGO og Advanced Virgo opdager disse bølger ved at måle, hvordan rum-tid flexes og klemmer som svar på GW'er, der passerer Jorden.
Imidlertid ville passerende GW'er også få Jorden til at svinge i dens placering i forhold til stjernerne. Som et resultat ville et kredsende rumteleskop (som Gaia) være i stand til at opfange dette ved at bemærke et midlertidigt skift i fjerntliggende stjerners position. Gaia-observatoriet blev lanceret i 2013 og har brugt de sidste par år på at udføre observationer med høj præcision af stjernernes positioner i vores Galaxy (alias astrometri).
I denne henseende ville Gaia kigge efter små forskydninger i det massive stjernefelt, det overvåger for at afgøre, om gravitationsbølger er passeret gennem Jordens kvarter. For at undersøge, om Gaia var op til opgaven, gennemførte Moore og hans kolleger beregninger for at afgøre, om Gaia-rumteleskopet havde den nødvendige følsomhed til at detektere GW'er med lav lavfrekvens.
Til dette formål simulerede Moore og hans kolleger tyngdekraftsbølger produceret af et binært supermassivt sort hul - dvs. to SMBH'er, der kredser om hinanden. Hvad de fandt, var at ved at komprimere datasættene med en faktor på mere end 106 (måling af 100.000 stjerner i stedet for en milliard ad gangen), kunne GW'er udvindes fra Gaia-data med kun 1% følsomhedstab.
Denne metode svarer til den, der blev anvendt i Pulsar Timing Arrays, hvor et sæt millisekund pulsarer undersøges for at bestemme, om gravitationsbølger ændrer frekvensen af deres pulser. I dette tilfælde overvåges stjerner imidlertid for at se, om de svinger med et karakteristisk mønster, snarere end pulserende. Ved at se på et felt på 100.000 stjerner ad gangen, ville forskere kunne registrere inducerede tilsyneladende bevægelser (se figuren ovenfor).
På grund af dette er den fulde frigivelse af Gaia-data (planlagt til begyndelsen af 2020'erne) sandsynligvis en vigtig mulighed for dem, der jager efter GW-signaler. Som Moore forklarede i a APS Fysik pressemeddelelse:
”Gaia vil gøre måling af denne effekt til et realistisk udsigt for første gang. Mange faktorer bidrager til gennemførligheden af tilgangen, herunder præcisionen og langvarigheden af de astrometriske målinger. Gaia vil observere omkring en milliard stjerner i løbet af 5-10 år og lokalisere hver enkelt af dem mindst 80 gange i løbet af denne periode. At observere så mange stjerner er det største fremskridt leveret af Gaia. ”
Det er også interessant at bemærke, at potentialet for GW-detektion var noget, som forskerne anerkendte, da Gaia stadig blev designet. En sådan person var Sergei A. Klioner, en forsker fra Lorhrmann-observatoriet og lederen af Gaia-gruppen ved TU Dresden. Som han antydede i sin undersøgelse fra 2017, “Gaia-lignende astrometri og tyngdepunktbølger”, kunne Gaia opdage GW'er forårsaget af fusionering af SMBHs år efter begivenheden:
”Det er klart, at de mest lovende kilder til tyngdekraftsbølger til astrometrisk detektion er supermassive binære sorte huller i centrum af galakser… Det antages, at binære supermassive sorte huller er et relativt almindeligt produkt af interaktion og sammenlægning af galakser i det typiske forløb deres udvikling. Denne slags objekter kan give tyngdekraftsbølger med både frekvenser og amplituder, der potentielt er inden for rækkevidde af rumastrometri. Derudover kan tyngdepunktbølgerne fra disse objekter ofte betragtes som at have praktisk talt konstant frekvens og amplitude i hele observationsperioden i flere år. ”
Men selvfølgelig er der ingen garantier for, at sigtning gennem Gaia-data afslører yderligere GW-signaler. For det første anerkender Moore og hans kolleger, at bølger ved disse ultra-lave frekvenser kunne være for svage til at selv Gaia kan registrere. Derudover skal forskere være i stand til at skelne mellem GW'er og modstridende signaler, der er resultatet af ændringer i rumfartøjets orientering - hvilket ikke er nogen nem udfordring!
Der er stadig håb om, at missioner som Gaia vil kunne afsløre GW'er, der ikke let er synlige for jordbaserede interferometriske detektorer som LIGO og Advanced Virgo. Sådanne detektorer er udsat for atmosfæriske virkninger (som brydning), som forhindrer dem i at se ekstremt lavfrekvente bølger - for eksempel de primordiale bølger, der er produceret under inflationsepoken fra Big Bang.
I denne forstand er gravitationsbølgeforskning ikke i modsætning til eksoplanetforskning og mange andre astronomiforgreninger. For at finde de skjulte perler kan observatorier muligvis tage rummet for at eliminere atmosfærisk interferens og øge deres følsomhed. Derefter er det muligt, at andre rumteleskoper bliver genoleret til GW-forskning, og at næste generation af GW-detektorer vil blive monteret ombord på rumfartøjer.
I de sidste par år er forskere gået fra at foretage den første detektion af tyngdekraftsbølger til at udvikle nye og bedre måder at detektere dem. Med denne hastighed vil det ikke vare længe, før astronomer og kosmologer er i stand til at inkludere tyngdekraftsbølger i vores kosmologiske modeller. Med andre ord vil de være i stand til at vise, hvilken indflydelse disse bølger spillede i universets historie og udvikling.
