Vo februári 2016 vedci pracujúci pre Gravitačné vlnové observatórium laserových interferónov (LIGO) urobili vôbec prvú detekciu gravitačných vĺn. Odvtedy sa uskutočnilo viac detekcií, a to najmä vďaka zlepšeniu nástrojov a vyššej úrovni spolupráce medzi observatóriami. Pri pohľade do budúcnosti je možné, že misie, ktoré nie sú určené na tento účel, by mohli tiež slúžiť ako detektory gravitačných vĺn.
Napríklad kozmická loď Gaia, ktorá je zaneprázdnená vytváraním najpodrobnejšej 3D mapy Mliečnej dráhy, by mohla byť tiež nápomocná pri výskume gravitačných vĺn. To nedávno tvrdil tím astronómov z University of Cambridge. Podľa ich štúdie má satelit Gaia potrebnú citlivosť na štúdium ultra-nízkofrekvenčných gravitačných vĺn, ktoré sú produkované supermasívnymi fúziami čiernych dier.
Štúdia s názvom „Metóda astrometrického vyhľadávania pre individuálne riešiteľné gravitačné zdroje vĺn s Gaiou“ sa nedávno objavila v Listy o fyzickom preskúmaní, V čele s Christopherom J. Moorom, teoretickým fyzikom z Centra matematických vied na univerzite v Cambridge, sa v tíme nachádzali členovia z Cambridge's Astronomy Institute, Cavendish Laboratory a Kavli Institute for Cosmology.
Aby som to zhrnul, gravitačné vlny (GW) sú vlnky v časopriestore, ktoré sú vytvárané násilnými udalosťami, ako sú fúzie čiernych dier, zrážky medzi neutrónovými hviezdami a dokonca aj Veľký tresk. Pôvodne predpovedané Einsteinovou teóriou všeobecnej relativity, observatóriá ako LIGO a Advanced Virgo detekujú tieto vlny meraním toho, ako sa časopriestory ohýbajú a stláčajú v reakcii na GW prechádzajúce Zemou.
Prechod GW by však tiež spôsobil osciláciu Zeme vo vzťahu k hviezdam. Výsledkom by bol obiehajúci vesmírny teleskop (ako napríklad Gaia), ktorý by bol schopný zachytiť to zaznamenaním dočasného posunu v polohe vzdialených hviezd. Hvezdáreň Gaia, ktorá bola uvedená do prevádzky v roku 2013, strávila niekoľko rokov uskutočňovaním vysoko presných pozorovaní pozícií hviezd v našej galaxii (známej ako astrometria).
V tomto ohľade by Gaia hľadala malé posuny v masívnom poli hviezd, ktoré monitoruje, aby zistila, či gravitačné vlny prešli cez zemské okolie. Moore a jeho kolegovia vykonali výpočty, aby zistili, či Gaia splnil úlohu, alebo nie. Vykonal výpočty, aby určil, či má vesmírny teleskop Gaia potrebnú citlivosť na detekciu ultrafrekvenčných GW.
Za týmto účelom Moore a jeho kolegovia simulovali gravitačné vlny produkované binárnou supermasívnou čiernou dierou - t. J. Dvoma SMBH obiehajúcimi jeden druhého. Zistili, že komprimáciou súborov údajov je faktor viac ako 106 (merajúc 100 000 hviezd namiesto jednej miliardy), GW mohli byť získané z údajov Gaia so stratou citlivosti iba 1%.
Táto metóda by bola podobná metóde použitej v Pulsar Timing Arrays, kde sa skúma sada milisekundových pulzarov, aby sa určilo, či gravitačné vlny modifikujú frekvenciu ich pulzov. V tomto prípade sa však hviezdy monitorujú, aby zistili, či oscilujú skôr charakteristickým obrazcom než pulzujú. Pri pohľade na pole 100 000 hviezd naraz by vedci dokázali zistiť indukované zjavné pohyby (pozri obrázok vyššie).
Z tohto dôvodu bude úplné zverejnenie údajov Gaia (naplánované na začiatok 20. rokov) pravdepodobne najväčšou príležitosťou pre tých, ktorí hľadajú signály GW. Ako Moore vysvetlil v a Fyzika APS tlačová správa:
„Gaia urobí meranie tohto účinku prvýkrát realistickou perspektívou. K uskutočniteľnosti prístupu prispieva mnoho faktorov vrátane presnosti a dlhého trvania astrometrických meraní. Gaia bude počas 5-10 rokov pozorovať asi miliardu hviezd a každú z nich umiestni počas tohto obdobia najmenej 80-krát. Pozorovanie toľkých hviezd je hlavným pokrokom, ktorý poskytla Gaia. “
Je tiež zaujímavé poznamenať, že potenciál pre detekciu GW bol niečo, čo vedci uznali, keď sa Gaia stále vyvíjala. Jedným z takýchto jedincov bol Sergei A. Klioner, výskumný pracovník z Lorhrmann Observatory a vodca skupiny Gaia v TU Drážďany. Ako uviedol vo svojej štúdii z roku 2017 „Gaia-like astrometry and gravitational wave“, Gaia dokázala odhaliť GW spôsobené zlúčením SMBH rokov po udalosti:
„Je zrejmé, že najsľubnejšími zdrojmi gravitačných vĺn na astrometrickú detekciu sú supermasívne binárne čierne diery v centrách galaxií ... Predpokladá sa, že binárne supermasívne čierne diery sú relatívne častým produktom interakcie a spájania galaxií v typickom priebehu ich vývoj. Tento druh objektov môže dať gravitačné vlny s frekvenciami a amplitúdami, ktoré sú potenciálne v dosahu vesmírnej astrometrie. Navyše gravitačné vlny z týchto objektov možno často považovať za majúce prakticky konštantnú frekvenciu a amplitúdu počas celého obdobia pozorovania niekoľkých rokov. “
Neexistujú však samozrejme žiadne záruky, že preosievanie pomocou údajov Gaia odhalí ďalšie signály GW. Po prvé, Moore a jeho kolegovia uznávajú, že vlny na týchto ultranízkych frekvenciách môžu byť príliš slabé na to, aby ich mohla odhaliť aj Gaia. Vedci budú musieť okrem toho vedieť rozlíšiť medzi GW a protichodnými signálmi, ktoré sú výsledkom zmien v orientácii kozmickej lode - čo nie je ľahká výzva!
Stále existuje nádej, že misie ako Gaia dokážu odhaliť GW, ktoré nie sú ľahko viditeľné pre pozemné interferometrické detektory, ako sú LIGO a Advanced Virgo. Takéto detektory sú vystavené atmosférickým účinkom (ako je lom), ktoré im bránia vidieť extrémne nízkofrekvenčné vlny - napríklad prvotné vlny produkované počas inflačnej epochy Veľkého tresku.
V tomto zmysle nie je výskum gravitačných vĺn na rozdiel od výskumu exoplanet a mnohých ďalších odvetví astronómie. Na nájdenie skrytých drahokamov bude možno potrebné, aby observatóriá zabrali priestor, aby odstránili atmosférické rušenie a zvýšili svoju citlivosť. Potom je možné, že na vesmírny výskum budú preorientované ďalšie vesmírne teleskopy a že na palubu kozmickej lode budú namontované detektory novej generácie GW.
V posledných rokoch vedci prešli od prvého zistenia gravitačných vĺn k vývoju nových a lepších spôsobov ich odhaľovania. Týmto tempom to nebude trvať dlho, kým budú astronómovia a kozmológovia schopní zahrnúť gravitačné vlny do našich kozmologických modelov. Inými slovami, budú schopní ukázať, aký vplyv tieto vlny hrali v histórii a vývoji vesmíru.
