Ένας ιστός πάλσαρ θα μπορούσε να ανιχνεύσει χαμηλής συχνότητας βαρυτικά κύματα

Τα βαρυτικά κύματα που πρόσφατα ανιχνεύθηκαν από το LIGO προέρχονταν από δυο μαύρες τρύπες, η κάθε μια από τις οποίες είχε μάζα περίπου 30 φορές τη μάζα του Ήλιου, που συγχωνεύθηκαν σε μια. Τα βαρυτικά κύματα απλώνονται σε μια ευρεία περιοχή συχνοτήτων που απαιτούν διαφορετικές τεχνολογίες για να ανιχνευθούν. Μια νέα μελέτη από το North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) έδειξε ότι χαμηλής συχνότητας βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν σύντομα να είναι ανιχνεύσιμα από τα υπάρχοντα ραδιοτηλεσκόπια.

Αυτή η ανίχνευση θα μπορούσε να γίνει δυνατή, αν γίνει δυνατή η παρακολούθηση ενός αρκετά μεγάλου αριθμού πάλσαρ που απλώνονται σε όλο τον ουρανό. Στη μελέτη των ερευνητών του Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA και του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech) μελετήθηκε ο καλύτερος τρόπος για να χρησιμοποιηθούν τα πάλσαρ για να ανιχνευθούν σήματα από χαμηλής συχνότητας βαρυτικά κύματα. Τα πάλσαρ είναι ισχυρά μαγνητισμένα άστρα νετρονίων, ταχύτατα περιστρεφόμενοι πυρήνες άστρων που μένουν όταν τα άστρα μεγάλης μάζας εκρήγνυται ως υπερκαινοφανείς (supernova). Πως μπορεί λοιπόν να χρησιμοποιηθούν τα πάλσαρ για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων;

Τα βαρυτικά κύματα-ρυτιδώσεις του χωρόχρονου-που προβλέπονται από τη θεωρία της Σχετικότητας του Einstein, εκπέμπονται από επιταχυνόμενα αντικείμενα μεγάλης μάζας. Τα βαρυτικά κύματα στην περιοχή των nanohertz (10^-9 Hertz) εκπέμπονται από ζευγάρια υπερβολικά μεγάλης μάζας μαύρων οπών που περιστρέφονται η μια γύρω από την άλλη, με τις μάζες τους να είναι εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια αυτών που ανιχνεύθηκαν από το LIGO. Η κάθε μια από αυτές τις μαύρες τρύπες προέρχεται από το κέντρο ξεχωριστού γαλαξία. Αυτοί οι γαλαξίες κινούνται αργά όλο και πιο κοντά και τελικά συγχωνεύονται για να δημιουργήσουν μια μαύρη τρύπα τεράστιου μεγέθους.

Καθώς περιστρέφονται μεταξύ τους, οι μαύρες τρύπες έλκουν τη δομή του χώρου και δημιουργούν ένα αδύνατο σήμα που διαδίδεται προς όλες τις διευθύνσεις, όπως μια δόνηση σε ένα ιστό αράχνης. Όταν αυτή η δόνηση περνά από τη Γη σπρώχνει ελαφρά τον πλανήτη μας προκαλώντας του μια μετατόπιση σε σχέση σε απομακρυσμένα πάλσαρ. Τα βαρυτικά κύματα που διαμορφώνονται από ζεύγος υπερβολικά μεγάλης μάζας μαύρων οπών παίρνει μήνες ή και χρόνια για να περάσουν τη Γη και απαιτούν πολλά χρόνια παρατηρήσεων για να ανιχνευθούν.

Το να βρεθούν στοιχεία για τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αποτελεί μια πρόκληση για τους αστρονόμους, καθώς αυτές βρίσκονται στα κέντρα γαλαξιών και οι ορατές υπογραφές γίνονται δύσκολο να βρεθούν από αυτούς επειδή εμποδίζονται από την λάμψη του περιβάλλοντος τις μαύρες τρύπες γαλαξία. Αυτό μπορεί να ξεπεραστεί και έτσι αντί της οπτικής παρατήρησης, για βαρυτικά σήματα από αυτά τα ζευγάρια ερευνούν οι ραδιοαστρονόμοι. Το 2007 το NANOGrav ξεκίνησε να παρατηρεί ένα σύνολο από τα ταχύτατα περιστρεφόμενα πάλσαρ για να προσπαθήσουν οι ερευνητές να ανιχνεύσουν πολύ μικρές αλλαγές που προκαλούνται από βαρυτικά κύματα.

Τα πάλσαρ εκπέμπουν δέσμες ραδιοκυμάτων μερικές από τις οποίες σαρώνουν τη Γη σε κάθε περιστροφή. Οι αστρονόμοι αυτό το ανιχνεύουν ως ένα ταχύ παλμό ραδιοεκπομπής. Τα περισσότερα πάλσαρ περιστρέφονται ορισμένες φορές το δευτερόλεπτο, αλλά ορισμένα, που καλούνται πάλσαρ χιλιοστού του δευτερολέπτου, περιστρέφονται εκατοντάδες φορές πιο γρήγορα. Αυτά ακριβώς τα πάλσαρ έχουν εξαιρετικά προβλέψιμους χρόνους άφιξης και οι συσκευές του NANOGrav είναι ικανές να τα μετρήσουν σε ένα δέκατο του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Εξαιτίας αυτού είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν για να ανιχνεύσουν απίστευτα μικρές μετατοπίσεις της θέσης της Γης.

Οι αστροφυσικοί στο JPL και στο Caltech προειδοποιούν ότι η ανίχνευση αδύνατων βαρυτικών κυμάτων είναι πιθανό να απαιτήσει περισσότερα από μερικά πάλσαρ. Όπως λένε: «Είμαστε σαν μια αράχνη στο κέντρο του ιστού. Όσο περισσότερα νήματα έχουμε στον ιστό των πάλσαρ, τόσο πιο πιθανό είναι να πάρουμε χαμπάρι όταν μας περνάει ένα βαρυτικό κύμα». Προς το παρόν το NANOGrav παρακολουθεί 54 πάλσαρ, αλλά μπορεί να παρατηρεί μόνο το νότιο ημισφαίριο. Έτσι θεωρείται σημαντική η συνεργασία με ερευνητικές ομάδες σε Ευρώπη και Αυστραλία, οπότε με δεδομένο αυτό αναμένεται να υπάρξουν καθαρά και πειστικά στοιχεία χαμηλής συχνότητας βαρυτικών κυμάτων μέσα στην επόμενη δεκαετία.

Πηγή: Jet Propulsion Laboratory της NASA

Περισσότερα στην προδημοσίευση: Interpreting the Recent Upper Limit on the Gravitational Wave Background from the Parkes Pulsar Timing Array ή για την περίληψη εδώ