Gravitační vlnové pozadí (GWB): Průlom v přímé detekci

Gravitační vlna byl přímo detekován v roce 2015 po století předpovědi Einsteinovou Obecnou teorií relativity v roce 1916. Ale spojitá, nízká frekvence Gravitační-wave Background (GWB), o kterém se předpokládá, že je přítomno v celém vesmír nebyl dosud přímo zjištěn. Vědci z North American Nanohertz Observatory pro Gravitační vlny (NANOGrav) nedávno oznámili detekci nízkofrekvenčního signálu, který by mohl být 'Gravitation-wave Background (GWB)'.   

Obecná teorie relativity, kterou navrhl Einstein v roce 1916, předpovídá, že velké kosmické události, jako je supernova nebo splynutí černé díry by měl produkovat gravitační vlny které se šíří prostřednictvím Vesmír. Země by měla být zaplavena gravitační vlny ze všech směrů po celou dobu, ale tyto nejsou detekovány, protože v době, kdy dosáhnou Země, extrémně zeslábnou. Přímá detekce gravitačních vln trvalo asi století, když v roce 2015 tým LIGO-Virgo úspěšně detekoval gravitační vlny vznikly spojením dvou černé díry nachází se ve vzdálenosti 1.3 miliardy světelných let od Země ⁽¹⁾. To také znamenalo, že detekované vlnění bylo nositelem informace o kosmické události, která se odehrála asi před 1.3 miliardami let.  

Od první detekce v roce 2015 jich bylo hodně gravitační vlnění byly dosud zaznamenány. Většina z nich byla způsobena sloučením dvou černé díry, jen málo z nich bylo způsobeno srážkou dvou neutronových hvězd ⁽²⁾. Vše zjištěno gravitační vlny zatím byly epizodické, způsobené binárním párem černé díry nebo neutronové hvězdy, které se spirálovitě slučují nebo se vzájemně srážejí ⁽³⁾ a měly vysokou frekvenci, krátkou vlnovou délku (v milisekundách).   

Protože však existuje možnost velkého množství zdrojů gravitační vlny v vesmír tedy mnoho gravitační vlny společně z celého světa vesmír může nepřetržitě procházet zemí po celou dobu a vytvářet pozadí nebo hluk. Mělo by to být spojité, náhodné a nízkofrekvenční malé vlny. Odhaduje se, že některá jeho část mohla dokonce pocházet z Velkého třesku. Volal Gravitační-wave Background (GWB), toto nebylo dosud detekováno ⁽³⁾.  

Ale možná jsme na pokraji průlomu – vědci z North American Nanohertz Observatory pro Gravitační vlny (NANOGrav) oznámili detekci nízkofrekvenčního signálu, který by mohl být 'Gravitation-wave Background (GWB) ^(4,5,6).  

Na rozdíl od týmu LIGO-virgo, který detekoval gravitační vlna z jednotlivých párů černé díry, tým NANOGrav hledal trvalé, hlučné, „kombinované“ gravitační vlna vytvořilo po velmi dlouhou dobu nespočet černé díry v vesmír. Důraz byl kladen na „velmi dlouhou vlnovou délku“ gravitační vlna na druhém konci ‚gravitačního spektra vln‘.

Na rozdíl od světla a jiného elektromagnetického záření nelze gravitační vlny pozorovat přímo dalekohledem.  

Tým NANOGrav si vybral milisekundu pulsary (MSP), které rotují velmi rychle s dlouhodobou stabilitou. Z těchto pulzátorů vychází stálý obrazec světla, který by měl být pozměněn gravitační vlnou. Záměrem bylo pozorovat a monitorovat soubor ultrastabilních milisekundových pulsarů (MSP) pro korelované změny v načasování příchodu signálů na Zemi, a tak vytvořit „galaxie"velký" detektor gravitačních vln v našem vlastním galaxie. Tým vytvořil časovací pole pulsarů studiem 47 takových pulsarů. Byly to observatoř Arecibo a teleskop Green Bank rádio dalekohledy používané pro měření.   

Dosud získaný soubor dat zahrnuje 47 MSP a více než 12.5 let pozorování. Na základě toho není možné přesvědčivě prokázat přímou detekci GWB, ačkoli detekované nízkofrekvenční signály tomu velmi nasvědčují. Možná by dalším krokem bylo zahrnout více pulsarů do pole a studovat je po delší dobu, aby se zvýšila citlivost.  

Ke studiu vesmírvědci byli výhradně závislí na elektromagnetickém záření, jako je světlo, rentgen, rádio vlny atd. Detekce gravitace v roce 2015 zcela nesouvisí s elektromagnetickým zářením a otevřela vědcům nové okno příležitostí ke studiu nebeských těles a pochopení vesmír zejména ty nebeské události, které jsou pro elektromagnetické astronomy neviditelné. Dále, na rozdíl od elektromagnetického záření, gravitační vlny neinteragují s hmotou, a proto se pohybují prakticky bez překážek a nesou informace o svém původu a zdroji bez jakéhokoli zkreslení.⁽³⁾

Detekce pozadí gravitačních vln (GWB) by tuto příležitost dále rozšířila. Může být dokonce možné detekovat vlny generované velkým třeskem, což nám může pomoci pochopit jejich původ vesmír lepším způsobem.

***

Reference:  

1. Castelvecchi D. a Witze A., 2016. Einsteinovy ​​gravitační vlny konečně nalezeny. Nature News 11. února 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. Co odhaluje 50 událostí gravitačních vln o vesmíru. Nature News Publikováno 30. října 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Zdroje a typy gravitačních vln. Dostupné online na https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Zpřístupněno 12. ledna 2021. 

4. NANOGrav Collaboration, 2021. NANOGrav nachází možné „první náznaky“ pozadí nízkofrekvenčních gravitačních vln. Dostupné online na http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Zpřístupněno dne 12. ledna 2021 

5. NANOGrav Collaboration 2021. Tiskový briefing – Hledání pozadí gravitačních vln za 12.5 let NANOGrav Data. 11. ledna 2021. Dostupné online na http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. Soubor dat NANOGrav 12.5 yr: Hledání pozadí izotropních stochastických gravitačních vln. The Astrophysical Journal Letters, ročník 905, číslo 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***