Nasz wszechświat jest chaotycznym morzem fal w czasoprzestrzeni zwanych falami grawitacyjnymi. Astronomowie uważają, że fale z orbitujących par supermasywnych czarnych dziur w odległych galaktykach mają długość lat świetlnych i od dziesięcioleci próbują je obserwować, a teraz są o krok bliżej dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Fermi Gamma.
Fermi wykrywa promienie gamma, najbardziej energetyczną formę światła. Międzynarodowy zespół naukowców zbadał ponad dekadę danych Fermiego zebranych z pulsarów, szybko obracających się jąder gwiazd, które eksplodowały jako supernowe. Poszukiwali niewielkich zmian w czasie nadejścia promieni gamma z tych pulsarów, zmian, które mogły być spowodowane przez światło przechodzące przez fale grawitacyjne w drodze na Ziemię. Ale nie znaleźli.
Chociaż nie wykryto żadnych fal, analiza pokazuje, że przy większej liczbie obserwacji fale te mogą być w zasięgu Fermiego.
„Zadziwiliśmy się, kiedy odkryliśmy, że Fermi może nam pomóc polować na długie fale grawitacyjne” – powiedział Matthew Kerr, fizyk badawczy z US Naval Research Laboratory w Waszyngtonie. „To nowość w walce – badania radiowe prowadzą podobne poszukiwania od lat. Ale promienie Fermiego i gamma mają pewne szczególne cechy, które razem sprawiają, że są bardzo potężnym narzędziem w tym dochodzeniu”.
Wyniki badania, prowadzonego wspólnie przez Kerra i Adityę Parthasarathy, naukowca z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn w Niemczech, zostały opublikowane w internetowym czasopiśmie Science 7 kwietnia.
Gdy masywne obiekty przyspieszają, wytwarzają fale grawitacyjne rozchodzące się z prędkością światła. Naziemne obserwatorium fal grawitacyjnych z interferometrem laserowym – które jako pierwsze wykryło fale grawitacyjne w 2015 roku – może wykryć fale o długości od dziesiątek do setek mil, które przetaczają się obok Ziemi w ciągu zaledwie ułamków sekundy. Nadchodząca kosmiczna antena kosmiczna laserowego interferometru będzie odbierać fale o długości od milionów do miliardów mil.
Kerr i jego zespół poszukują fal, które mają długość lat świetlnych lub biliony mil, a przejście przez Ziemię zajmuje lata. Te długie fale są częścią tła fal grawitacyjnych, losowego morza fal generowanych częściowo przez pary supermasywnych czarnych dziur w centrach połączonych galaktyk w całym wszechświecie.
Aby je znaleźć, naukowcy potrzebują detektorów wielkości galaktyk, zwanych układami synchronizacji pulsarów. Te macierze wykorzystują określone zestawy pulsarów milisekundowych, które obracają się tak szybko, jak ostrza blendera. Pulsary milisekundowe przesuwają wiązki promieniowania, od radia po promieniowanie gamma, poza naszą linię widzenia, zdając się pulsować z niewiarygodną regularnością – jak kosmiczne zegary.
Gdy długie fale grawitacyjne przechodzą między jednym z tych pulsarów a Ziemią, opóźniają lub przyspieszają czas nadejścia światła o miliardowe części sekundy. Poszukując określonego wzorca zmian impulsów wśród pulsarów w układzie, naukowcy spodziewają się, że mogą ujawnić fale grawitacyjne przetaczające się obok nich.
Radioastronomowie od dziesięcioleci wykorzystują układy pomiaru czasu pulsarów, a ich obserwacje są najbardziej czułe na te fale grawitacyjne. Jednak efekty międzygwiezdne komplikują analizę danych radiowych. Przestrzeń jest usiana zabłąkanymi elektronami. Na przestrzeni lat świetlnych ich efekty łączą się, wyginając trajektorię fal radiowych. Zmienia to czasy nadejścia impulsów o różnych częstotliwościach. Promienie gamma nie cierpią z powodu tych komplikacji, zapewniając zarówno uzupełniającą sondę, jak i niezależne potwierdzenie wyników radiowych.
„Wyniki Fermiego są już o 30% tak dobre, jak matryce czasowe pulsarów radiowych, jeśli chodzi o potencjalne wykrywanie tła fal grawitacyjnych” – powiedział Parthasarathy. „Po kolejnych pięciu latach zbierania i analizowania danych dotyczących pulsarów, będzie równie sprawny, z dodatkową premią polegającą na tym, że nie trzeba się martwić o te wszystkie zabłąkane elektrony”.
W ciągu następnej dekady zarówno astronomowie radiowi, jak i astronomowie zajmujący się promieniowaniem gamma spodziewają się osiągnąć czułość, która pozwoli im wychwytywać fale grawitacyjne z orbitujących par potwornych czarnych dziur.
„Bezprecedensowa zdolność Fermi do precyzyjnego określania czasu nadejścia promieni gamma i szerokie pole widzenia umożliwiają ten pomiar” – powiedziała Judith Racusin, zastępca naukowca projektu Fermi z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland. „Odkąd wystartowała, misja konsekwentnie zaskakiwała nas nowymi informacjami na temat nieba w promieniowaniu gamma. Wszyscy nie możemy się doczekać kolejnego niesamowitego odkrycia”.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez NASA/Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda. Oryginał napisany przez Jeanette Kaźmierczak. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.