I februari 2016 gjorde forskare som arbetade för Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) den första någonsin att upptäcka gravitationsvågor. Sedan den tiden har flera upptäckter ägt rum, till stor del tack vare förbättringar i instrument och större samarbetsnivåer mellan observatorier. Framöver kan det vara möjligt att uppdrag som inte är utformade för detta ändamål också kan "månsken" som gravitationsvågdetektorer.
Exempelvis kan Gaia-rymdskeppet - som är upptagen med att skapa den mest detaljerade 3D-kartan över Vintergatan - också vara ett instrument när det gäller gravitationsvågforskning. Det är vad ett team av astronomer från University of Cambridge nyligen hävdade. Enligt deras studie har Gaia-satelliten den nödvändiga känsligheten för att studera ultralåga frekvensgravitationsvågor som produceras av supermassiva sammanslagningar av svart hål.
Studien, med titeln "Astrometrisk sökmetod för individuellt upplösbara gravitationella vågkällor med Gaia", dykte nyligen upp i Fysiska granskningsbrev. Ledd av Christopher J. Moore, en teoretisk fysiker från Center for Mathematical Sciences vid University of Cambridge, inkluderade teamet medlemmar från Cambridges institut för astronomi, Cavendish Laboratory och Kavli Institute for Cosmology.
För att sammanfatta är gravitationsvågor (GW: er) krusningar i rymden som skapas av våldsamma händelser, såsom sammanslagningar av svarthål, kollisioner mellan neutronstjärnor och till och med Big Bang. Ursprungligen förutspådd av Einsteins teorin om allmän relativitet, observatorier som LIGO och Advanced Virgo upptäcker dessa vågor genom att mäta hur rymdtid böjs och pressas som svar på GW som passerar jorden.
Emellertid skulle passerar GWs också få jorden att svänga på sin plats med avseende på stjärnorna. Som ett resultat skulle ett kretsande rymdteleskop (som Gaia) kunna ta upp detta genom att notera en tillfällig förskjutning i avlägsna stjärnas position. Gaia-observatoriet, som lanserades 2013, har spenderat de senaste åren med att genomföra observationer med hög precision av stjärnorna i vår Galaxy (alias astrometri).
I detta avseende letade Gaia efter små förskjutningar i det stora stjärnfältet som den övervakar för att avgöra om gravitationsvågor har passerat jordens grannskap. För att undersöka om Gaia var upp till uppgiften eller inte, utförde Moore och hans kollegor beräkningar för att avgöra om Gaia rymdteleskop hade den nödvändiga känsligheten för att upptäcka ultralågfrekventa GW: er.
För detta ändamål simulerade Moore och hans kollegor gravitationsvågor producerade av ett binärt supermassivt svart hål - dvs. två SMBH: er som kretsar kring varandra. Vad de fann var att genom att komprimera datamängden med en faktor på mer än 106 (mäter 100 000 stjärnor i stället för en miljard i taget), GWs kunde återvinnas från Gaia-data med endast 1% känslighetsförlust.
Denna metod skulle likna den som används i Pulsar Timing Arrays, där en uppsättning millisekund pulsars undersöks för att bestämma om gravitationsvågor modifierar frekvensen för deras pulser. Men i detta fall övervakas stjärnor för att se om de svänger med ett karakteristiskt mönster snarare än pulserande. Genom att titta på ett fält med 100 000 stjärnor i taget skulle forskare kunna upptäcka inducerade uppenbara rörelser (se figur ovan).
På grund av detta är den fullständiga utgivningen av Gaia-data (planerad till början av 2020-talet) sannolikt en viktig möjlighet för dem som jakter på GW-signaler. Som Moore förklarade i a APS Fysik pressmeddelande:
”Gaia kommer att göra att mäta denna effekt till ett realistiskt perspektiv för första gången. Många faktorer bidrar till genomförbarheten av tillvägagångssättet, inklusive precisionen och långa varaktigheten för de astrometriska mätningarna. Gaia kommer att observera cirka en miljard stjärnor under 5–10 år och lokalisera var och en av dem minst 80 gånger under den perioden. Att observera så många stjärnor är det stora framsteget som Gaia tillhandahåller. ”
Det är också intressant att notera att potentialen för GW-upptäckt var något som forskare kände igen när Gaia fortfarande utformades. En sådan person var Sergei A. Klioner, en forskare från Lorhrmann-observatoriet och ledaren för Gaia-gruppen vid TU Dresden. Som han antydde i sin studie från 2017, "Gaia-liknande astrometri och gravitationsvågor", kunde Gaia upptäcka GW: er orsakade av sammanslagning av SMBH år efter händelsen:
”Det är uppenbart att de mest lovande källorna till gravitationella vågor för astrometrisk detektion är supermassiva binära svarta hål i centrum av galaxer ... Det tros att binära supermassiva svarta hål är en relativt vanlig produkt av interaktion och sammanslagning av galaxer i den typiska kursen för deras utveckling. Denna typ av föremål kan ge gravitationsvågor med både frekvenser och amplituder potentiellt inom rymdastrometri. Dessutom kan gravitationsvågorna från dessa objekt ofta anses ha praktiskt taget konstant frekvens och amplitud under hela observationsperioden på flera år. "
Men naturligtvis finns det inga garantier för att att genom Gaia-data kommer att avslöja ytterligare GW-signaler. För en sak erkänner Moore och hans kollegor att vågor vid dessa ultralåga frekvenser kan vara för svaga för att ens Gaia kan upptäcka. Dessutom måste forskare kunna skilja mellan GW: er och motstridiga signaler som är resultatet av förändringar i rymdskeppets orientering - vilket är ingen enkel utmaning!
Det finns fortfarande hopp om att uppdrag som Gaia kan avslöja GW: er som inte är lätt synliga för markbaserade interferometriska detektorer som LIGO och Advanced Virgo. Sådana detektorer utsätts för atmosfäriska effekter (som brytning) som förhindrar dem från att se extremt lågfrekventa vågor - till exempel de primordiala vågorna som produceras under inflationsepoken från Big Bang.
I detta avseende är gravitationsvågforskningen inte till skillnad från exoplanetforskning och många andra astronomiförgreningar. För att hitta de dolda ädelstenarna kan observatorier behöva ta sig till rymden för att eliminera atmosfäriska störningar och öka deras känslighet. Då är det möjligt att andra rymdteleskoper kommer att omväxlas för GW-forskning och att nästa generations GW-detektorer kommer att monteras ombord på rymdskepp.
Under de senaste åren har forskare gått från att först upptäcka gravitationsvågor till att utveckla nya och bättre sätt att upptäcka dem. I det här fallet kommer det inte att ta lång tid innan astronomer och kosmologer kan inkludera gravitationsvågor i våra kosmologiska modeller. Med andra ord kommer de att kunna visa vilket inflytande dessa vågor spelade i universums historia och evolution.
