През февруари 2016 г. учени, работещи в Лазерния интерферометър за гравитационна вълнова обсерватория (LIGO), направиха първото в историята откриване на гравитационни вълни. Оттогава са проведени множество открития, до голяма степен благодарение на подобренията в инструментите и по-големите нива на сътрудничество между обсерваториите. В бъдеще е възможно мисиите, които не са предназначени за тази цел, да могат да „лунна светлина“ като гравитационни детектори на вълни.
Например космическият апарат Gaia - който е зает с създаването на най-подробна 3D карта на Млечния път - също може да бъде от полза, когато става дума за изследвания на гравитационните вълни. Това твърди наскоро екип от астрономи от университета в Кеймбридж. Според тяхното проучване спътникът Gaia има необходимата чувствителност за изучаване на гравитационни вълни с ултра ниска честота, които се получават чрез свръхмасивни сливания на черна дупка.
Изследването, озаглавено „Метод на астрометрично търсене за източници на гравитационна вълна с индивидуална разтворимост с Gaia“, наскоро се появи в Писма за физически преглед, Под ръководството на Кристофър Дж. Мур, теоретичен физик от Центъра за математически науки към Университета в Кеймбридж, екипът включва членове от Института по астрономия на Камбридж, Лабораторията Кавендиш и Института по космология в Кавли.
За да се обобщи, гравитационните вълни (GWs) са пулсации в пространството и времето, които се създават от насилствени събития, като сливания в черна дупка, сблъсъци между неутронни звезди и дори Големия взрив. Първоначално предсказано от Теорията на общата относителност на Айнщайн, обсерватории като LIGO и Advanced Dego откриват тези вълни чрез измерване на начина, по който пространството и времето се огъва и изтласква в отговор на GW, минаващи през Земята.
Преминаването на GW обаче също ще накара Земята да се колебае на мястото си по отношение на звездите. В резултат един орбитален космически телескоп (като Gaia) би могъл да вземе това, като отбележи временно изместване на положението на далечни звезди. Създадена през 2013 г., обсерваторията Гая е прекарала последните няколко години в провеждане на високоточни наблюдения на позициите на звезди в нашата Галактика (известна още като астрометрия).
В това отношение Гая би искала малки измествания в масивното поле на звездите, което наблюдава, за да определи дали гравитационните вълни са преминали през земния квартал. За да проучат дали Гая се е справил със задачата или не, Мур и неговите колеги извършиха изчисления, за да установят дали космическият телескоп Гая притежава необходимата чувствителност за откриване на ултра нискочестотни GW.
За тази цел Мур и неговите колеги симулират гравитационни вълни, произведени от двоична свръхмасивна черна дупка - т.е. две SMBH, които се въртят около една от друга. Те откриха, че чрез компресиране на наборите от данни с коефициент над 106 (измерване на 100 000 звезди вместо милиард наведнъж), GW могат да бъдат възстановени от данните на Gaia само с 1% загуба на чувствителност.
Този метод би бил подобен на този, използван в Pulsar Timing Arrays, където се изследват набор от милисекундни пулсари, за да се определи дали гравитационните вълни променят честотата на техните импулси. В този случай обаче се наблюдават звезди, за да се види дали се колебаят с характерен модел, а не да пулсират. Поглеждайки в едно поле от 100 000 звезди наведнъж, изследователите ще могат да открият индуцирани явни движения (вижте фигурата по-горе).
Поради това пълното освобождаване на данните от Gaia (планирано за началото на 2020 г.) вероятно ще бъде основна възможност за онези, които търсят сигнали от GW. Както Мур обясни в APS физика прессъобщение:
„Гея ще направи измерването на този ефект реалистична перспектива за първи път. Много фактори допринасят за осъществимостта на подхода, включително точността и продължителността на астрометричните измервания. Гая ще наблюдава около милиард звезди за 5–10 години, локализирайки всяка от тях поне 80 пъти през този период. Наблюдаването на толкова много звезди е основният напредък, осигурен от Гая. "
Интересно е също да се отбележи, че потенциалът за откриване на GW е нещо, което изследователите признават, когато Гая все още се проектира. Един такъв индивид беше Сергей А. Клионер, изследовател от обсерваторията Lorhrmann и лидер на групата Gaia в TU Dresden. Както той посочи в своето проучване от 2017 г., „Гая-подобна астрометрия и гравитационни вълни“, Gaia може да открие GW, причинени от сливането на SMBHs години след събитието:
„Ясно е, че най-обещаващите източници на гравитационни вълни за астрометрично откриване са супермасивни бинарни черни дупки в центровете на галактиките… Смята се, че бинарните свръхмасивни черни дупки са сравнително често срещан продукт на взаимодействие и сливане на галактики в типичния ход на тяхната еволюция. Този вид обекти могат да дават гравитационни вълни с честоти и амплитуди, потенциално в обсега на космическата астрометрия. Освен това, гравитационните вълни от тези обекти често могат да се считат за практически постоянна честота и амплитуда през целия период на наблюдение от няколко години. "
Но разбира се, няма гаранции, че пресяването на данните от Gaia ще разкрие допълнителни GW сигнали. От една страна, Мур и неговите колеги признават, че вълните при тези свръхниски честоти могат да бъдат твърде слаби, за да може дори Гая да открие. Освен това изследователите ще трябва да могат да разграничават GWs и конфликтни сигнали, които са резултат от промени в ориентацията на космическия кораб - което не е лесно предизвикателство!
Все пак има надежда, че мисии като Gaia ще успеят да разкрият GW, които не са лесно видими за наземните интерферометрични детектори като LIGO и Advanced Virgo. Такива детектори са обект на атмосферни въздействия (като пречупване), които не им позволяват да виждат вълни с изключително ниска честота - например първичните вълни, произведени по време на инфлационната епоха на Големия взрив.
В този смисъл изследванията на гравитационните вълни не са за разлика от изследванията на екзопланетите и много други клонове на астрономията. За да намерят скритите скъпоценни камъни, обсерваториите може да се наложи да излязат в космоса, за да премахнат атмосферните смущения и да увеличат чувствителността си. Възможно е тогава други космически телескопи да бъдат преоборудвани за изследване на GW и да се монтират детектори от следващо поколение GW на борда на космически кораби.
През последните няколко години учените преминаха от първото откриване на гравитационни вълни до разработването на нови и по-добри начини за откриването им. С тази скорост няма да е много преди астрономите и космолозите да успеят да включат гравитационните вълни в нашите космологични модели. С други думи, те ще могат да покажат какво влияние играят тези вълни в историята и еволюцията на Вселената.
