Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się nad tym, co naprawdę dzieje się w przestrzeni kosmicznej? Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jakie tajemnice kryją się za tym, co widzimy na nocnym niebie? Cóż, naukowcy z North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves poinformowali o odkryciu czegoś, co może dołożyć cegiełkę do naszego zrozumienia Wszechświata. Co to takiego i jak ważne to jest?
Naukowcy z projektu North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, czyli NANOGrav, ogłosili wykrycie kosmicznego tła z fal grawitacyjnych – zmarszczek czasoprzestrzeni o bardzo niskich częstotliwościach. Jak stwierdził Stephen Taylor – astrofizyk z Uniwersytetu Vanderbilt, będący liderem zespołu NANOGrav – poszukiwania trwały piętnaście lat, ale ciężka praca zaowocowała dowodami na wykrycie tego tła.
Fale grawitacyjne – niewidzialne, ale wszechobecne, przemierzające całą przestrzeń kosmiczną, zapisują w sobie historię ruchu najbardziej masywnych obiektów we wszechświecie. Towarzyszą one naukowcom od ponad stu lat, kiedy to w tysiąc dziewięćset piętnastym roku została opublikowana Ogólna Teoria Względności, w której Albert Einstein postulował między innymi ich istnienie. Jednak od rozważań do konkretów minął niemal wiek.
Źródło: NANOGrav; Aurore Simonet
Fale grawitacyjne można sobie wyobrazić jako powierzchnię stawu, na którym rzucono kamień.
Kamień to dowolny gwałtownie przyspieszający obiekt o dużej masie – na przykład obracające się wokół siebie gwiazdy neutronowe. Tak jak kamień tworzy na wodzie koliste fale, tak masywne obiekty powodują 'marszczenie’ samej przestrzeni i czasu, tworząc fale grawitacyjne. Te fale, niczym fale na wodzie, rozchodzą się od źródła we wszystkie strony. Jednak są od tych znanych z akwenów dużo bardziej subtelne.ak niewyczuwalne dla naszych zmysłów, że aż do niedawna były jedynie teorią. Ale dzięki postępowi nauki i technologii, naukowcy opracowali sposoby na “słuchanie” tych fal, jakby były dźwiękiem kosmosu, co pozwoliło na odkrycie niewidzialnego do tej pory wymiaru naszego wszechświata.
Jednak choć czułość obecnych detektorów pozwala na wykrywanie izolowanych zdarzeń, naukowcy są przekonani, że wszechświat jest wypełniony tłem złozonym z fal grawitacyjnych – kosmos wypełniać mają subtelne zmarszczki czasoprzestrzeni generowane przez różne obiekty i zdarzenia.

Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!Wyobraź sobie, że jesteś na dużej imprezie. Muzyka gra głośno, ludzie rozmawiają, ktoś gra na gitarze w rogu, inni śmieją się, szklanki stukają o siebie – wszystko to tworzy akustyczną atmosferę imprezy. Ta dźwiękowa przestrzeń przypomina właśnie tło fal grawitacyjnych. Jest to suma wszystkich fal grawitacyjnych generowanych przez różne zdarzenia w całym Wszechświecie – zderzenia czarnych dziur, gwiazd neutronowych, obroty gwiazd itp. Jest z nami cały czas, ale jest na tyle subtelne i chaotyczne, że trudno je wyodrębnić i zmierzyć.
Teraz wyobraź sobie, że w tym gwarze nagle słyszysz jakiś konkretny dźwięk – na przykład krzyk. Jest na tyle głośny i odmienny, że zwraca na siebie uwagę, a ty jesteś w stanie go zidentyfikować wśród całego hałasu. Taki krzyk to jak indywidualna fala grawitacyjna – na przykład ta, która jest generowana, gdy dwie gwiazdy neutronowe zderzają się ze sobą. Jest to wyraźny, mierzalny sygnał, który możemy wyłapać i zanalizować.
Tło fal grawitacyjnych występuje jednak na częstotliwościach nanoherzowych, niedostępnych dla LIGO, Virgo i innych detektorów. Nie wszystko jednak stracone bo z pomocą przychodzą… pulsary.
Pulsary to specyficzny rodzaj gwiazd neutronowych, które wyróżniają się niesamowitą regularnością. Emitują one wiązkę promieniowania, która przecina kosmos niczym światło latarni morskiej. Kiedy ta wiązka „omiecie” Ziemię, odbieramy to jako impuls, stąd ich nazwa – pulsar. Co ważniejsze, te impulsy są niezwykle regularne, nawet bardziej niż mechanizmy najdokładniejszych szwajcarskich zegarków, co sprawia, że te obiekty mogą służyć za kosmiczne zegary.
Dzięki swojej niewiarygodnej regularności, mogą służyć również jako „latarnie”, które umożliwiają naukowcom badanie kosmicznej przestrzeni. Przemierzające wszechświat fale grawitacyjne sprawiają, że pulsary „mrugają” w nieco inny sposób. Rejestrując te subtelne zmiany, naukowcy mogą wykryć obecność fal grawitacyjnych.
To jest właśnie metoda, którą zastosowano w projekcie NANOGrav, ale nie tylko – podobne wyniki badań, bazujące na obserwacjach pulsarów milisekundowych wykonanych przy pomocy czułych teleskopów, ogłosiły także inne grupy. Europejska, przy udziale naukowców z Indii, działająca w projekcie European Pulsar Timing Array, czyli EPTA, oraz australijska, pracująca w ramach projektu Parkes Pulsar Timing Array, czyli PPTA.
Każdy z zespołów, pomimo zbieżnych metod, przeprowadzał badania z wykorzystaniem nieco innego zestawu danych. NANOGrav analizował informacje zebrane z największej ilości pulsarów, EPTA badał dane zbierane najdłużej, a PPTA, ze względu na swoją lokalizację, obserwował pulsary południowego nieba.
Także grupa naukowców z Chin, pracująca przy projekcie Chinese Pulsar Timing Array, opublikowała wyniki, w których informuje o odnalezieniu podobnych sygnałów w danych zebranych podczas trzyletnich obserwacji przeprowadzanych za pomocą teleskopu Five hundred meter Aperture Spherical Telescope – największego radioteleskopu na Ziemi.
Jak mówi Scott Ransom, astrofizyk z projektu NANOgrav, Ziemia drga z powodu fal grawitacyjnych przechodzących przez naszą Galaktykę. Naukowiec ten zaznacza również, że pomimo dotychczasowych publikacji zarówno on, jak i pozostałe grupy naukowe nie są w stu procentach pewni swoich odkryć . Każda z publikacji ma zgłoszoną wartość sigma na poziomie trzy i pół do czterech.
Sigma jest rodzajem skali pewności, gdzie poziom jeden oznacza sześćdziesiąt osiem procent, sigma dwa – dziewięćdziesiąt pięć procent, sigma trzy – dziewięćdziesiąt dziewięć i siedem dziesiątych procenta, sigma cztery – dziewięćdziesiąt dziewięć i dziewięćdziesiąt dziewięć setnych procenta. Często przyjmuje się, że wynik na poziomie pięć sigma, co oznacza pewność na poziomie dziewięćdziesiąt dziewięć i dziewięćset dziewięćdziesiąt dziewięć tysięcznych procenta, jest wystarczający, aby mówić o “odkryciu” w naukach takich jak fizyka cząstek.
Najbardziej znanymi obserwatoriami fal grawitacyjnych są obserwatoria Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, czyli LIGO oraz Virgo, tworzące razem konsorcjum LIGO/Virgo Collaboration. Pierwsze z nich, wybudowane w USA w latach tysiąc dziewięćset dziewięćdziesiąt sześć i dwa tysiące, zostało uruchomione w roku dwa tysiące drugim i długo kazało czekać na pierwsze wyniki. W dwa tysiące ósmym roku podjęto decyzję o przebudowie zwiększającej czułość dziesięciokrotnie. Prace zakończono w dwa tysiące piętnastym roku i wtedy też – czternastego września – przyszedł przełom. O tej detekcji, pochodzącej z połączenia się dwóch czarnych dziur, naukowcy poinformowali jedenastego lutego dwa tysiące szesnastego roku. Były to pierwsze wykryte i zarejestrowane fale grawitacyjne.
Virgo jest z kolei obserwatorium europejskim, położonym w pobliżu Pizy we Włoszech, uruchomionym w dwa tysiące siódmym roku. Wspólnie z LIGO dokonał wielu detekcji fal grawitacyjnych, w tym pierwszych pochodzących od zderzenia gwiazd neutronowych, które – co jest wyjątkowe – było obserwowane także w zakresie promieniowania gamma i pozwoliło potwierdzić istnienie kilonowych, Zdarzenie to miało miejsce w dwa tysiące siedemnastym roku.
W dwa tysiące dwudziestym roku, do grona detektorów fal grawitacyjnych dołączyło japońskie obserwatorium Kamioka Gravitational Wave Detector, czyli KAGRA. Na tle poprzedników wyróżnia się tym, że zostało wybudowane głęboko pod ziemią.
Naukowcy w swoich badaniach uzyskali sygnatury fal grawitacyjnych zgodne z tym, czego oczekiwali, jednak pomimo wszystkich tych postępów, badacze mają jeszcze wiele do zrobienia. Więcej danych jest potrzebnych, aby potwierdzić te wyniki i zrozumieć pełne implikacje tych odkryć.
Jest to dopiero początek nowej ery w badaniu Wszechświata za pomocą fal grawitacyjnych. Stajemy na progu nowego, fascynującego rozdziału w naszym poznawaniu kosmicznej przestrzeni, który obiecuje odkrycia, które mogą zrewolucjonizować nasze zrozumienie natury wszechświata. Pamiętajmy jednak, że to wszystko jest możliwe dzięki niezłomnej ludzkiej ciekawości, której granic nie zna ani czas, ani przestrzeń. Kontynuujmy więc naszą naukową podróż, z nadzieją na nowe, jeszcze bardziej ekscytujące odkrycia. W końcu, to jest dopiero początek…