Gravitācijas viļņu fons (GWB): izrāviens tiešā noteikšanā

Gravitācijas vilnis pirmo reizi tika tieši atklāts 2015. gadā pēc gadsimtu ilgas prognozes, ko paredzēja Einšteina vispārējā relativitātes teorija 1916. gadā. Taču nepārtrauktā, zemā frekvence Gravitācijas-Wave Background (GWB), kas, domājams, atrodas visā visums līdz šim nav tieši konstatēts. Ziemeļamerikas Nanoherca observatorijas pētnieki Gravitācijas viļņi (NANOGrav) nesen ziņoja par zemas frekvences signāla noteikšanu, kas varētu būt "gravitācijas viļņu fons (GWB)".   

Vispārējā relativitātes teorija, ko Einšteins ierosināja 1916. gadā, paredz, ka tādi lieli kosmiski notikumi kā supernova vai melnie caurumi vajadzētu ražot gravitācijas viļņi kas izplatās caur Visums. Zemei vajadzētu būt pārpildītai ar gravitācijas viļņi no visiem virzieniem visu laiku, bet tie netiek atklāti, jo tie kļūst ārkārtīgi vāji, sasniedzot zemi. Pagāja aptuveni gadsimts, lai veiktu tiešu gravitācijas viļņojuma noteikšanu, kad 2015. gadā LIGO-Virgo komandai izdevās atklāt gravitācijas viļņi ražots divu uzņēmumu apvienošanās dēļ melnie caurumi atrodas 1.3 miljardu gaismas gadu attālumā no Zemes ⁽¹⁾. Tas arī nozīmēja, ka atklātie viļņi bija informācijas nesēji par kosmisko notikumu, kas notika pirms aptuveni 1.3 miljardiem gadu.  

Kopš pirmās atklāšanas 2015. gadā liels skaits gravitācijas viļņi ir ierakstīti līdz šim. Lielākā daļa no tiem bija divu uzņēmumu apvienošanās dēļ melnie caurumi, daži no tiem radās divu neitronu zvaigžņu sadursmes dēļ ⁽²⁾. Visi konstatēti gravitācijas viļņi līdz šim bija epizodiski, ko izraisīja binārais pāris melnie caurumi vai neitronu zvaigznēm, kas spirālē un saplūst vai saduras viena ar otru ⁽³⁾ un bija augstas frekvences, īsa viļņa garuma (milisekundes diapazonā).   

Tomēr, tā kā pastāv liels skaits avotu gravitācijas viļņi iekš visums tāpēc daudzi gravitācijas viļņi kopā no visas visums var nepārtraukti iet cauri zemei, veidojot fonu vai troksni. Tam jābūt nepārtrauktam, nejaušam un zemas frekvences mazam viļņam. Tiek lēsts, ka kāda tā daļa varētu būt pat radusies Lielā sprādziena rezultātā. Zvanīja Gravitācijas-wave Background (GWB), tas līdz šim nav konstatēts ⁽³⁾.  

Bet mēs varam būt uz izrāviena robežas – Ziemeļamerikas Nanoherca observatorijas pētnieki Gravitācijas viļņi (NANOGrav) ir ziņojuši par zemas frekvences signāla noteikšanu, kas varētu būt gravitācijas viļņu fons (GWB) ^(4,5,6).  

Atšķirībā no LIGO-virgo komandas, kas atklāja gravitācijas vilnis no atsevišķiem pāriem melnie caurumi, NANOGrav komanda ir meklējusi noturīgus, trokšņainus, "kombinētus" gravitācijas vilnis ļoti ilgā laika periodā radījuši neskaitāmi melnie caurumi iekš visums. Galvenā uzmanība tika pievērsta "ļoti garam viļņa garumam" gravitācijas vilnis 'gravitācijas viļņu spektra' otrā galā.

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

NANOGrav komanda izvēlējās milisekunde pulsāri (MSP), kas rotē ļoti ātri ar ilgtermiņa stabilitāti. No šiem pulsētājiem nāk vienmērīgs gaismas modelis, kas jāmaina gravitācijas vilnim. Ideja bija novērot un uzraudzīt īpaši stabilu milisekundes pulsāru (MSP) kopumu, lai noteiktu korelētas izmaiņas signālu ierašanās laikā uz Zemi, tādējādi radot "galaktika- izmēra” gravitācijas viļņu detektors mūsu pašu ietvaros galaktika. Komanda izveidoja pulsāru laika masīvu, izpētot 47 šādus pulsārus. Arecibo observatorija un Zaļās bankas teleskops bija radio mērījumiem izmantotie teleskopi.   

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 visums, zinātnieki bija tikai atkarīgi no elektromagnētiskā starojuma, piemēram, gaismas, rentgena, radio vilnis utt. Tā kā gravitācijas noteikšana 2015. gadā ir pilnīgi nesaistīta ar elektromagnētisko starojumu, zinātniekiem pavēra jaunu iespēju pētīt debess ķermeņus un izprast visums īpaši tie debesu notikumi, kas elektromagnētiskajiem astronomiem nav redzami. Turklāt atšķirībā no elektromagnētiskā starojuma gravitācijas viļņi nesadarbojas ar vielu, tāpēc tie pārvietojas praktiski netraucēti, nesot informāciju par to izcelsmi un avotu bez jebkādiem traucējumiem.⁽³⁾

Gravitācijas viļņu fona (GWB) noteikšana vēl vairāk paplašinātu iespēju. Var pat kļūt iespējams atklāt Lielā sprādziena radītos viļņus, kas var palīdzēt mums saprast to izcelsmi visums labākā veidā.

***

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  

***