Учени предложиха принципно нов експериментален подход за откриване на гравитационните вълни

През изминалите години прякото откриване на гравитационни вълни отвори нова глава в астрономията, известна като многоканална астрономия. Те са деформация на пространство-времето, причинена от движението на гигантски маси. Като например двойка черни дупки или бързо въртящи се неутронни звезди, готови да се слеят.

Търсенето, откриването и физическото характеризиране на кандидат-източници за излъчване на гравитационни вълни се извършва главно с помощта на наземните интерферометри, линейни детектори. Това са например LIGO в Америка и Virgo в Италия. Понастоящем обаче способността на тези линейни детектори точно да определят посоката на произход на гравитационната вълна е ограничена.

Поради това изследователска група, ръководена от INAF (Националният институт по астрофизика), предложи алтернативен експериментален подход. Като детектори на гравитационните вълни да се използват звездите и по-специално промените в тяхното ъглово разстояние, причинени от смущения в пространство-времето, т.е. астрометрията.

Астрометричното наблюдение на гравитационни вълни

Преди това проучване, ръководено от Мариатереза Кроста от INAF Торино, откриването на гравитационни вълни чрез астрометрия вече е било проучвано от други автори. Те са разглеждали допълнителните премествания в едно направление на светлината, причинени от преминаването на гравитационна вълна.

Този подход обаче има сериозни ограничения.

За да преодолеят тези ограничения, Кроста и екипът му разработват идеята за астрометрична антена, която се възползва напълно от последиците от общата теория на относителността за диференциалната астрометрия. Идеята произлиза от модела на общата теория на относителността за микроаркосекундните астрометрични измервания на спътника Gaia на ЕКА. Това е мисия, която е измервала и продължава да измерва точните позиции на милиардите звезди в Млечния път.

Изследователите предлагат астрометрична антена, която директно използва ъгъла между близка двойка от два оптически разграничени (т.е. различими) точкови източника. Всъщност ъгловите смущения, причинени от една гравитационна вълна, са правопропорционални на пространствено-времевото изкривяване, свързано с нея. И обратнопропорционални на ъгъла (който трябва да бъде определен) между двойка звезди.

Следователно ъглите между двойките съседни точкови източници се използват като естествени „рамена“ за наблюдение на фините промени в ъгловото разстояние, причинени от преминаването на гравитационната вълна.

След като разработва антената, екипът провежда няколко първоначални симулации и лабораторни тестове, за да демонстрира нейната осъществимост. Екипът се фокусира върху различните технически аспекти, като например конструкцията на мултиплексирания телескоп (схематичното изображение е показано по-горе), точността на центриране на звездните изображения върху цифровите детектори и границите на разделителната способност.

Как този метод може да промени ситуацията?

Идеята за астрометрично наблюдение на гравитационни вълни може да бъде мощен инструмент за постигане на максимална ефективност при откриването на гравитационни вълни с различна интензивност чрез пълното използване на наличната оптична разделителна способност.

Всъщност астрометричното откриване на гравитационни вълни ще позволи да се определи направлението на пристигане на гравитационните сигнали. При това едновременно с тяхната амплитуда и с безпрецедентна точност.

Освен това тази концепция е изключително ефективен метод. Тя не само ще позволи независимо и допълващо валидиране на другите методи, но и ще позволи откриването на гравитационни вълни на честоти, за които понастоящем не се планират други детектори.

„Подготвяме цифрова версия на нашия нов принцип на астрометрични наблюдения на гравитационните вълни, за да използваме астрометричните измервания на Gaia. Те се натрупват в продължение на повече от десетилетие наблюдения“, обяснява Кроста. „За да сравним и открием съвпаденията за гравитационни вълни с периоди от няколко години“.

Какво ни спира

Преди да се опитат да извлекат сигналите за гравитационни вълни от астрометричните данни, учените подчертават колко е важно да се завърши процесът на редуциране на данните. Това е необходимо, за да се придобие подробна представа за отношението и поведението на инструментите. Това е така, тъй като измерването на промените в посоката на източника изисква много точното познаване на абсолютната референтна точка, което е трудно да се постигне например със сателит.

Освен това е необходимо още по-подробно и точно моделиране за по-реалистични сценарии, като например по-сложни форми на гравитационни вълни и реалистични нива на шума.

През 2023 година North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) обяви първото директно откриване на стохастичен гравитационно-вълнов фон (GWB). Откритието е направено с помощта на данни от наблюденията на 68 пулсара, събирани в продължение на 15 години.

Стохастичният (случайният) гравитационно-вълнови фон е съвкупност от сигнали от различни космически източници, разпределени във Вселената. За разлика от гравитационните вълни, генерирани от единични, добре дефинирани събития, като сливане на черни дупки или експлозии на свръхнови, стохастичният фон се състои от „шума“ на много различни източници.

Този стохастичен фон, който е действителният фонов шум на Вселената, изглежда като непрекъснат сигнал. Всъщност гравитационните вълни, които го съставляват, се припокриват и комбинират, за да създадат смес от сигнали. Техните потенциални източници са например сумата от вълните, генерирани от сливането на множество свръхмасивни черни дупки във Вселената.

Въпреки това потенциалът за диференциални астрометрични наблюдения на гравитационните вълни е много голям. Наличието на близки звездни двойки открива възможност за използване на голям брой конфигурации. А а оттам и за наблюдение на гравитационните вълни от всяка посока. Това открива възможност за задълбочена статистика, която да разкрие свойствата на източника на гравитационните вълни, а също така спомага за истинско допълване и независимост на всички усилия, насочени към многовълнови търсения на гравитационните вълни.