У лютому 2016 року вчені, які працюють в Лазерному інтерферометрі гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO), зробили перше в історії виявлення гравітаційних хвиль. З цього часу було проведено багаторазове виявлення, в основному завдяки вдосконаленню інструментів та більшому рівню співпраці між обсерваторіями. Забігаючи наперед, можливо, що місії, не призначені для цієї мети, можуть також “місячне світло” як гравітаційні детектори хвиль.
Наприклад, космічний апарат Гая - який зайнятий створенням найбільш детальної тривимірної карти Чумацького Шляху - також може стати важливим для дослідження гравітаційних хвиль. Про це нещодавно стверджувала команда астрономів з Кембриджського університету. Згідно з їх дослідженням, супутник Gaia має необхідну чутливість до вивчення гравітаційних хвиль наднизької частоти, які утворюються надмасивними злиттями чорної діри.
Дослідження під назвою «Метод астрометричного пошуку для джерел гравітаційної хвилі, що вирішуються окремо, з Геєю», нещодавно з'явилося в Листи з фізичного огляду. Під керівництвом Крістофера Дж. Мура, фізика-теоретика з Центру математичних наук Університету Кембриджу, до складу команди входили члени Інституту астрономії Кембриджу, Лабораторії Кавендіш та Інституту космології Кавлії.
Для повторного підрахунку гравітаційні хвилі (ГВ) - це брижі в просторі-часі, які створюються насильницькими подіями, такими як злиття чорної діри, зіткнення між нейтронними зірками і навіть Великий вибух. Спочатку передбачила теорія загальної відносності Ейнштейна, обсерваторії типу LIGO та Advanced Dego виявляють ці хвилі, вимірюючи спосіб згинання та стискання простору та часу у відповідь на ГВ, що проходять через Землю.
Однак передача ГВ також спричинить коливання Землі у своєму розташуванні щодо зірок. В результаті орбітальний космічний телескоп (наприклад, Gaia) міг би підняти це, зазначивши тимчасовий зсув положення далеких зірок. Створена в 2013 році, обсерваторія Гая провела останні кілька років, проводячи високоточні спостереження за положеннями зірок у нашій Галактиці (ака. Астрометрія).
У цьому відношенні Гея шукає невеликих переміщень у масивному полі зірок, яке моніторить, щоб визначити, чи пройшли гравітаційні хвилі через околиці Землі. Щоб дослідити, чи відповідав Гаї цьому завдання чи ні, Мур та його колеги провели розрахунки, щоб визначити, чи має космічний телескоп Гая необхідну чутливість для виявлення ГВЧ наднизької частоти.
З цією метою Мур та його колеги моделювали гравітаційні хвилі, що утворюються бінарною надмасивною чорною дірою - тобто двома СМБХ, які обертаються навколо однієї. Вони виявили, що стискаючи набори даних у коефіцієнт більше 106 (вимірюючи 100 000 зірок замість мільярда за один раз), ГВ можна було отримати з даних Gaia лише з втратою чутливості на 1%.
Цей метод був би аналогічний тому, який використовується у пульсарних синхронізуючих масивах, де набір мілісекундних пульсарів досліджується для визначення того, чи змінюють гравітаційні хвилі частоту їх імпульсів. Однак у цьому випадку зірки контролюються, щоб побачити, коли вони коливаються з характерним малюнком, а не пульсують. Оглядаючи поле з 100 000 зірок одночасно, дослідники змогли б виявити індуковані видимі рухи (див. Малюнок вище).
Через це повний випуск даних Gaia (запланований на початок 2020-х років), ймовірно, стане головною можливістю для тих, хто полює на сигнали GW. Як пояснив Мур в Фізика APS прес-реліз:
«Gaia зробить вимірювання цього ефекту реальною перспективою вперше. Багато факторів сприяють здійсненню підходу, включаючи точність та тривалість астрометричних вимірювань. Гея спостерігатиме близько мільярда зірок протягом 5–10 років, розташовуючи кожну з них принаймні 80 разів за цей період. Спостереження за такою кількістю зірок є головним успіхом, який надає Гая. "
Цікаво також зазначити, що потенціал виявлення ГВ був чимось, що дослідники визнавали, коли Гая ще розроблялася. Одним із таких осіб був Сергій Олександрович Кліонер, дослідник обсерваторії Лоррманна та керівник групи Гея в ТУ Дрезден. Як він зазначив у своєму дослідженні 2017 року «Гайаподібна астрометрія та гравітаційні хвилі», Gaia могла виявити ГВ, спричинені злиттям SMBH за роки після події:
"Зрозуміло, що найбільш перспективними джерелами гравітаційних хвиль для астрометричного виявлення є надмасивні бінарні чорні діри в центрах галактик ... Вважається, що бінарні надмасивні чорні діри є відносно поширеним продуктом взаємодії та злиття галактик у типовому ході їх еволюція. Цей вид об'єктів може давати гравітаційні хвилі як з частотами, так і з амплітудами, потенційно в межах досяжності космічної астрометрії. Більше того, гравітаційні хвилі від цих об'єктів часто можна вважати такими, що мають практично постійну частоту та амплітуду протягом усього періоду спостережень за кілька років ».
Але, звичайно, немає гарантій, що просіювання даних Gaia виявить додаткові сигнали GW. По-перше, Мур та його колеги визнають, що хвилі на цих наднизьких частотах можуть бути занадто слабкими, щоб навіть Гая виявила. Крім того, дослідникам доведеться вміти розрізняти ГРС і конфліктуючі сигнали, що виникають внаслідок зміни орієнтації космічного корабля - що непросте завдання!
Тим не менш, є надія, що такі місії, як Gaia, зможуть виявити ГВ, які не легко помітні для наземних інтерферометричних детекторів, таких як LIGO та Advanced Virgo. Такі детектори піддаються атмосферному впливу (наприклад, заломлення), що заважає їм бачити надзвичайно низькі частоти хвиль - наприклад, первісні хвилі, що виникають під час інфляційної епохи Великого вибуху.
У цьому сенсі гравітаційні хвильові дослідження не відрізняються від екзопланетних досліджень та багатьох інших галузей астрономії. Для того щоб знайти приховані дорогоцінні камені, обсерваторії, можливо, доведеться винести в космос, щоб усунути атмосферні перешкоди та підвищити їх чутливість. Можливо, тоді інші космічні телескопи будуть переобладнані для дослідження ГВ, і що детектори ГВ нового покоління будуть встановлені на борту космічного корабля.
В останні кілька років вчені пройшли шлях від першого виявлення гравітаційних хвиль до розробки нових і кращих способів їх виявлення. З цією швидкістю не пройде багато часу, перш ніж астрономи та космологи зможуть включити гравітаційні хвилі до наших космологічних моделей. Іншими словами, вони зможуть показати, який вплив ці хвилі відігравали в історії та еволюції Всесвіту.
