Gravitācijas viļņu fons (GWB): izrāviens tiešā noteikšanā

Gravitācijas vilnis pirmo reizi tika tieši atklāts 2015. gadā pēc gadsimta, kad to paredzēja Einšteina vispārējā relativitātes teorija 1916. gadā. Tomēr nepārtrauktais, zemas frekvences gravitācijas viļņa fons (GWB), kas, domājams, ir sastopams visā Visumā , līdz šim nav tieši atklāts. Ziemeļamerikas Nanohercu Gravitācijas viļņu observatorijas (NANOGrav) pētnieki nesen ziņoja par zemas frekvences signāla atklāšanu, kas varētu būt "gravitācijas viļņa fons (GWB)".

Einšteina 1916. gadā izvirzītā vispārīgā relativitātes teorija paredz, ka tādiem lieliem kosmiskiem notikumiem kā supernova vai melno caurumu apvienošanās vajadzētu radīt gravitācijas viļņus , kas izplatās Visumā . Zemei visu laiku vajadzētu būt pilnai ar gravitācijas viļņiem no visiem virzieniem, taču tie netiek atklāti, jo, sasniedzot Zemi, tie kļūst ārkārtīgi vāji. Bija nepieciešams aptuveni gadsimts, lai tieši atklātu gravitācijas viļņus, kad 2015. gadā LIGO-Virgo komandai izdevās atklāt gravitācijas viļņus, kas radušies divu melno caurumu, kas atrodas 1.3 miljardu gaismas gadu attālumā no Zemes, apvienošanās rezultātā ⁽¹⁾ . Tas nozīmēja arī to, ka atklātie viļņi sniedza informāciju par kosmisko notikumu, kas notika aptuveni pirms 1.3 miljardiem gadu.

Kopš pirmās detekcijas 2015. gadā līdz šim ir reģistrēts ievērojams skaits gravitācijas viļņu . Lielākā daļa no tām radās divu melno caurumu saplūšanas rezultātā , dažas – divu neitronu zvaigžņu sadursmes rezultātā ⁽²⁾ . Visi līdz šim konstatētie gravitācijas viļņi bija epizodiski, ko izraisīja melno caurumu vai neitronu zvaigžņu bināro pāru spirālveida kustība un saplūšana vai sadursme ⁽³⁾ , un tiem bija augsta frekvence un īss viļņa garums (milisekundēs).

Tomēr, tā kā Visumā var būt liels skaits gravitācijas viļņu avotu, daudzi gravitācijas viļņi no visas Visuma var nepārtraukti iet cauri Zemei, veidojot fonu vai troksni. Tam jābūt nepārtrauktam, nejaušam un zemas frekvences maza viļņa troksnim. Tiek lēsts, ka daļa no tā varētu būt pat radusies Lielā sprādziena rezultātā. To sauc par gravitācijas viļņu fonu (GWB), un tas līdz šim nav atklāts ⁽³⁾.

Taču mēs, iespējams, esam uz izrāviena robežas — Ziemeļamerikas Nanohercu Gravitācijas Viļņu Observatorijas (NANOGrav) pētnieki ir ziņojuši par zemas frekvences signāla noteikšanu, kas varētu būt “gravitācijas viļņu fons” (GWB) ^(4,5,6).

Atšķirībā no LIGO-virgo komandas, kas gravitācijas vilni atklāja no atsevišķiem melno caurumu pāriem , NANOGrav komanda meklēja noturīgu, troksnim līdzīgu, "kombinētu" gravitācijas vilni, ko ļoti ilgā laika periodā radīja neskaitāmi melnie caurumi Visumā . Uzmanība tika pievērsta "ļoti gara viļņa" gravitācijas vilnim "gravitācijas viļņu spektra" otrā galā.

Atšķirībā no gaismas un citiem elektromagnētiskajiem stariem gravitācijas viļņus nevar tieši novērot ar teleskopu.  

NANOGrav komanda izvēlējās milisekundes pulsārus (MSP), kas rotē ļoti ātri un ilgtermiņā ir stabili. No šiem pulsatoriem nāk stabils gaismas modelis, ko gravitācijas vilnis varētu mainīt. Ideja bija novērot un uzraudzīt īpaši stabilu milisekundes pulsāru (MSP) ansambli, lai noteiktu korelētas izmaiņas signālu ierašanās laikā uz Zemes, tādējādi radot " galaktikas izmēra" gravitācijas viļņu detektoru mūsu galaktikā . Komanda izveidoja pulsāru laika noteikšanas masīvu, pētot 47 šādus pulsārus. Mērījumiem tika izmantota Arecibo observatorija un Grīnbankas teleskops.

Līdz šim iegūtajā datu kopā ir 47 JTP un vairāk nekā 12.5 gadu novērojumi. Pamatojoties uz to, nav iespējams pārliecinoši pierādīt tiešu GWB noteikšanu, lai gan atklātie zemfrekvences signāli to ļoti norāda. Iespējams, nākamais solis būtu iekļaut vairāk pulsāru masīvā un pētīt tos ilgāku laiku, lai uzlabotu jutību.  

Lai pētītu Visumu , zinātnieki bija pilnībā atkarīgi no elektromagnētiskā starojuma, piemēram, gaismas, rentgena starojuma, radioviļņiem utt. Tā kā gravitācijas viļņu noteikšana nebija saistīta ar elektromagnētisko starojumu, tie 2015. gadā zinātniekiem pavēra jaunu iespēju pētīt debess ķermeņus un izprast Visumu , īpaši tos debess notikumus, kas nav redzami elektromagnētiskajiem astronomiem. Turklāt atšķirībā no elektromagnētiskā starojuma gravitācijas viļņi nemijiedarbojas ar matēriju, tāpēc pārvietojas praktiski netraucēti, nesot informāciju par to izcelsmi un avotu bez jebkādiem kropļojumiem. ⁽³⁾

Gravitācijas viļņu fona (GWB) noteikšana vēl vairāk paplašinātu iespējas. Varētu pat kļūt iespējams noteikt Lielā sprādziena radītos viļņus, kas varētu palīdzēt mums labāk izprast Visuma izcelsmi.

***

DOI: https://doi.org/10.29198/scieu/2101121

***

Norādes:  

1. Castelvecchi D. un Witze A.,2016. Beidzot atrasti Einšteina gravitācijas viļņi. Dabas ziņas, 11. gada 2016. februāris. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. Kādi 50 gravitācijas viļņu notikumi atklāj Visumu. Dabas ziņas publicētas 30. gada 2020. oktobrī. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Gravitācijas viļņu avoti un veidi. Pieejams tiešsaistē plkst https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Skatīts 12. gada 2021. janvārī. 

4. NANOGrav Collaboration, 2021. NANOGrav atrod iespējamos “pirmos mājienus” par zemas frekvences gravitācijas viļņu fonu. Pieejams tiešsaistē plkst http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Skatīts 12. gada 2021. janvārī 

5. NANOGrav Collaboration 2021. Preses brīfings — gravitācijas viļņu fona meklēšana 12.5 gadu NANOGrav datos. 11. gada 2021. janvāris. Pieejams tiešsaistē plkst http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. NANOGrav 12.5 gadu datu kopa: izotropiskā stohastiskā gravitācijas viļņa fona meklēšana. The Astrophysical Journal Letters, 905. sējums, 2. numurs. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***