2016 februárjában a Lézer-interferométer Gravitációs Hullám Megfigyelőközpontjában (LIGO) dolgozó tudósok először fedezték fel a gravitációs hullámokat. Azóta több észlelésre is sor került, nagyrészt annak köszönhetően, hogy javultak a műszerek, és fokozódott a megfigyelőközpontok közötti együttműködés. Előre tekintve lehetséges, hogy a nem erre a célra tervezett missziók gravitációs hullámdetektorokként is „holdfényben” válhatnak.
Például a Gaia űrhajó - amely elfoglalja a Tejút leg részletesebb 3D térképét - szintén fontos szerepet játszhat a gravitációs hullám kutatásában. A közelmúltban állította a Cambridge-i Egyetem csillagászai egy csapata. Tanulmányaik szerint a Gaia műholdasnak megvan a szükséges érzékenysége ahhoz, hogy megvizsgálja az ultra-alacsony frekvenciájú gravitációs hullámokat, amelyeket szupermasszív fekete lyuk összeolvadások hoznak létre.
A „Astrometrikus keresési módszer az önállóan megoldható gravitációs hullámforrásokhoz a Gaia-val” című tanulmány nemrégiben jelent meg a Fizikai áttekintő levelek. Christopher J. Moore vezetésével, a Cambridge-i Egyetem Matematikai Tudományos Központjának elméleti fizikusának vezetésével a csoport tagjai a Cambridge-i Csillagászati Intézet, a Cavendish laboratórium és a Kavli Kozmológiai Intézet tagjai voltak.
Összefoglalva: a gravitációs hullámok (GW) a tér-idő hullámai, amelyeket erőszakos események, például fekete lyuk összeolvadások, neutroncsillagok ütközése és még a Nagyrobbanás is okoznak. Az Einstein általános relativitáselméletének eredetileg előrejelzése szerint az olyan csillagvizsgálók, mint a LIGO és az Advanced Virgo, észlelik ezeket a hullámokat, mérve azt, hogy a tér-idő miként hajlik és szorul, reagálva a Földön áthaladó GW-ekre.
A GW-k áthaladása ugyanakkor a Földnek a csillagokhoz viszonyított helyzetében rezegni fog. Ennek eredményeként egy keringő űrteleszkóp (például Gaia) képes felvenni ezt, amikor észreveszi a távoli csillagok helyzetének ideiglenes eltolódását. A 2013-ban elindított Gaia obszervatórium az elmúlt években nagy pontosságú megfigyeléseket végzett a csillagok helyzetének galaxisunkban (más néven: asztrometria).
Ebben a tekintetben Gaia kis eltolódásokat keres az általa megfigyelt csillagok hatalmas mezőjében annak meghatározására, hogy a gravitációs hullámok áthaladtak-e a Föld szomszédságában. Annak megvizsgálására, hogy a Gaia felel-e a feladatnak, Moore és munkatársai számításokat végeztek annak meghatározására, hogy a Gaia űrteleszkóp rendelkezik-e a szükséges érzékenységgel az ultra-alacsony frekvenciájú GW-k detektálásához.
Ebből a célból Moore és munkatársai szimulálták a gravitációs hullámokat, amelyeket egy bináris szupermasszív fekete lyuk hozott létre - azaz két egymással keringő SMBH-t. Azt találták, hogy az adatkészleteket több mint 10-szeresen tömörítik6 (egyszerre 100 000 csillag mérése milliárd helyett), a GW-ket csak 1% -os érzékenységvesztéssel lehetett kinyerni a Gaia adataiból.
Ez a módszer hasonló lenne a Pulsar Timing Arrays-ban alkalmazott módszerhez, ahol milliszekundum pulzátorok halmazát vizsgálják meg annak meghatározására, hogy a gravitációs hullámok módosítják-e impulzusok frekvenciáját. Ebben az esetben azonban a csillagokat figyeljük meg, hogy lássuk, nem egy jellegzetes mintázattal rezgnek-e. Ha egyszerre 100 000 csillag mezőt vizsgál, a kutatók képesek lesznek felismerni az indukált látszólagos mozgásokat (lásd a fenti ábrát).
Emiatt a Gaia-adatok (a 2020-as évek elejére tervezett) teljes kiadása valószínűleg nagy lehetőséget jelent a GW-jeleket vadászó személyek számára. Ahogyan Moore kifejtette a APS fizika sajtóközlemény:
„Gaia először reális kilátássá teszi ezt a hatást. Számos tényező hozzájárul a megközelítés megvalósíthatóságához, ideértve az asztrometriás mérések pontosságát és hosszú időtartamát. Gaia körülbelül egy milliárd csillagot fog megfigyelni 5–10 év alatt, és mindegyiket legalább 80-szor megkeresi abban az időszakban. Olyan sok csillag megfigyelése jelenti a Gaia által nyújtott fő előrelépést. ”
Érdekes még megjegyezni, hogy a GW kimutatásának lehetősége valami olyan volt, amelyet a kutatók felismertek, amikor a Gaia még mindig tervezésre került. Az egyik ilyen személy Sergei A. Klioner, a Lorhrmann Obszervatórium kutatója és a Drezda TU Gaia csoportjának vezetője. Amint a „Gaia-szerű asztrometria és gravitációs hullámok” című, 2017. évi tanulmányában rámutatott, a Gaia az esemény utáni évekkel később felismerte az SMBH-k egyesülése által okozott GW-ket:
„Egyértelmű, hogy a gravitációs hullámok legígéretesebb forrásai az asztrometriás detektáláshoz a szupermasszív bináris fekete lyukak a galaxisok központjában. Úgy gondolják, hogy a bináris szupermasszív fekete lyukak viszonylag gyakori termékei a galaxisok kölcsönhatásának és egyesülésének a tipikus fejlődésük. Az ilyen típusú objektumok gravitációs hullámokat adhatnak mind a frekvenciákkal, mind az amplitúdókkal, potenciálisan az űr-asztrometria elérhetőségén belül. Ezen túlmenően az ezekből a tárgyakból származó gravitációs hullámok gyakran gyakorlatilag állandó frekvenciájú és amplitúdójúak lehetnek a többéves megfigyelések teljes ideje alatt. "
Természetesen nincs garancia arra, hogy a Gaia-adatok átváltása további GW jeleket eredményez. Egyrészről, Moore és kollégái elismerik, hogy ezen a rendkívül alacsony frekvencián a hullámok túl gyengék lehetnek, még Gaia számára is. Ezenkívül a kutatóknak képesnek kell lenniük megkülönböztetni a GW-jeket és az ütköző jeleket, amelyek az űrhajó tájolásának változásából származnak - ami nem könnyű kihívás!
Mégis van remény, hogy a Gaia-hoz hasonló missziók képesek lesznek olyan GW-ket felfedni, amelyeket a földi interferometrikus detektorok, mint például a LIGO és az Advanced Virgo nem látnak könnyen. Az ilyen detektorok légköri hatásoknak vannak kitéve (mint például a refrakció), amelyek megakadályozzák számukra a rendkívül alacsony frekvenciájú hullámok látását - például az őshullámok, amelyeket a Nagyrobbanás inflációs korszakában generáltak.
Ebben az értelemben a gravitációs hullámkutatás nem különbözik az exoplanet kutatásoktól és a csillagászat sok más ágától. A rejtett gyöngyszem megtalálása érdekében az obszervatóriumoknak szükség lehet az űrbe való bejutásra, hogy megszüntessék a légköri zavarokat és növeljék érzékenységüket. Lehetséges, hogy ezután más űrteleszkópokat retoolálnak a GW kutatására, és hogy a következő generációs GW detektorokat az űrhajó fedélzetére szerelik fel.
Az elmúlt években a tudósok a gravitációs hullámok első észlelésétől az új és jobb módszerek kifejlesztéséig mentek. Ennél a sebességnél nem sokkal később válnak a csillagászok és a kozmológusok képessé a gravitációs hullámok beillesztésére kozmológiai modelleinkbe. Más szavakkal, meg tudják mutatni, hogy ezek a hullámok milyen hatással voltak az Univerzum történetére és fejlődésére.
