Fundalul undelor gravitaționale (GWB): O descoperire în detectarea directă

Unda gravitațională a fost detectat direct pentru prima dată în 2015, după un secol de predicție de către Teoria Generală a Relativității a lui Einstein în 1916. Dar, frecvența continuă, joasă Gravitațional- fundal de val (GWB) despre care se crede că este prezent pe tot parcursul univers nu a fost detectat direct până acum. Cercetătorii de la North American Nanohertz Observatory pentru Valuri gravitationale (NANOGrav) au raportat recent detectarea unui semnal de joasă frecvență care ar putea fi „Fondul de unde gravitaționale (GWB)”.   

Teoria generală a relativității propusă de Einstein în 1916 prezice că evenimente cosmice majore, cum ar fi supernova sau fuziunea găuri negre ar trebui să producă valuri gravitationale care se propagă prin Univers. Pământul ar trebui să fie umplut cu valuri gravitationale din toate direcțiile tot timpul, dar acestea sunt nedetectate deoarece devin extrem de slabe în momentul în care ajung pe pământ. A fost nevoie de aproximativ un secol pentru a realiza o detectare directă a ondulațiilor gravitaționale, când, în 2015, echipa LIGO-Virgo a reușit să detecteze valuri gravitationale produs din cauza fuziunii a două găuri negre situat la o distanță de 1.3 miliarde de ani lumină de Pământ ⁽¹⁾. Acest lucru a însemnat, de asemenea, că ondulațiile detectate erau purtătoare de informații despre evenimentul cosmic care a avut loc acum aproximativ 1.3 miliarde de ani.  

De la prima detectare în 2015, un număr bun de ondulații gravitaționale au fost înregistrate până în prezent. Cele mai multe dintre ele s-au datorat fuziunii a două găuri negre, puține s-au datorat coliziunii a două stele neutronice ⁽²⁾. Toate detectate valuri gravitationale până acum au fost episodice, cauzate din cauza perechii binare de găuri negre sau stele neutronice care se învârt în spirală și se contopesc sau se ciocnesc unele cu altele ⁽³⁾ și au fost de înaltă frecvență, lungime de undă scurtă (în intervalul de milisecunde).   

Cu toate acestea, deoarece există posibilitatea unui număr mare de surse de valuri gravitationale în univers deci multe valuri gravitationale împreună de peste tot univers poate trece continuu prin pământ tot timpul formând un fundal sau zgomot. Acesta ar trebui să fie continuu, aleatoriu și de joasă frecvență unde mici. Se estimează că o parte din ea ar fi putut chiar să provină din Big Bang. Chemat Gravitațional-fond de val (GWB), acest lucru nu a fost detectat până acum ⁽³⁾.  

Dar s-ar putea să fim în pragul unei descoperiri – cercetătorii de la Observatorul Nord-American Nanohertz pentru Valuri gravitationale (NANOGrav) au raportat detectarea unui semnal de joasă frecvență care ar putea fi „Fondul de unde gravitaționale (GWB) ^(4,5,6).  

Spre deosebire de echipa LIGO-virgo care a detectat undă gravitațională din perechi individuale de găuri negre, echipa NANOGrav a căutat „combinate” persistente, precum zgomot undă gravitațională create pe o perioadă foarte lungă de timp de nenumărate găuri negre în univers. Accentul s-a pus pe „lungimea de undă foarte lungă” undă gravitațională la celălalt capăt al „spectrului undelor gravitaționale”.

Spre deosebire de lumină și alte radiații electromagnetice, undele gravitaționale nu pot fi observate direct cu un telescop.  

Echipa NANOGrav a ales milisecundă pulsari (MSP) care se rotesc foarte rapid cu stabilitate pe termen lung. Există un model constant de lumină care vine de la aceste pulsatoare care ar trebui să fie modificate de unda gravitațională. Ideea a fost de a observa și monitoriza un ansamblu de pulsari de milisecunde ultra-stabili (MSP) pentru modificări corelate în momentul sosirii semnalelor pe Pământ, creând astfel un „Galaxiedetector de unde gravitaționale de mărime în interiorul nostru galaxie. Echipa a creat o matrice de sincronizare a pulsarilor studiind 47 de astfel de pulsari. Observatorul Arecibo și Telescopul Green Bank au fost radio telescoapele folosite pentru măsurători.   

Setul de date obținut până acum include 47 de MSP și peste 12.5 ani de observații. Pe baza acestui fapt, nu este posibil să se dovedească în mod concludent detectarea directă a GWB, deși semnalele de frecvență joasă detectate indică foarte mult acest lucru. Poate că următorul pas ar fi includerea mai multor pulsari în matrice și studierea lor pentru o perioadă mai lungă de timp pentru a spori sensibilitatea.  

Pentru a studia univers, oamenii de știință erau dependenți exclusiv de radiațiile electromagnetice precum lumina, raze X, radio undă etc. Neavând nicio legătură cu radiația electromagnetică, detectarea gravitațională în 2015 a deschis o nouă fereastră de oportunitate pentru oamenii de știință de a studia corpurile cerești și de a înțelege univers în special acele evenimente cerești care sunt invizibile pentru astronomii electromagnetici. În plus, spre deosebire de radiația electromagnetică, undele gravitaționale nu interacționează cu materia, prin urmare călătoresc practic nestingherite purtând informații despre originea și sursa lor, fără orice distorsiune.⁽³⁾

Detectarea fundalului undelor gravitaționale (GWB) ar extinde și mai mult oportunitatea. Poate deveni chiar posibil să detectăm undele generate de Big Bang, care ne pot ajuta să înțelegem originea univers într-un mod mai bun.

***

Referinte:  

1. Castelvecchi D. și Witze A.,2016. Undele gravitaționale ale lui Einstein găsite în sfârșit. Nature News 11 februarie 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. Ce 50 de evenimente gravitaționale dezvăluie despre Univers. Nature News Publicat 30 octombrie 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Surse și tipuri de unde gravitaționale. Disponibil online la https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Accesat pe 12 ianuarie 2021. 

4. Colaborarea NANOGrav, 2021. NANOGrav găsește posibile „Prime indicii” despre fundalul undelor gravitaționale de joasă frecvență. Disponibil online la http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Accesat pe 12 ianuarie 2021 

5. NANOGrav Collaboration 2021. Briefing de presă – Căutarea fundalului undelor gravitaționale în 12.5 ani de date NANOGrav. 11 ianuarie 2021. Disponibil online la http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. Setul de date NANOGrav de 12.5 ani: Căutați un fundal de unde gravitaționale stochastice izotrope. The Astrophysical Journal Letters, volumul 905, numărul 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***