Dwie czarne dziury znajdujące się odpowiednio blisko mogą okrążać się nawzajem, tworząc zmarszczki czasoprzestrzeni, które po raz pierwszy zaobserwowaliśmy w 2015 roku. NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) już od ponad dekady poszukuje dowodów na istnienie zmarszczek czasoprzestrzeni, których źródłem są monstrualne czarne dziury. Używając najbardziej zaawansowanych technologii, w tym radioteleskopów naziemnych, przekraczamy granice tego, co dotąd wiedzieliśmy. W ubiegłym tygodniu ogłoszono wykrycie sygnału, który może być czymś jeszcze bardziej przełomowym, jednak zespół nie jest do końca pewien sukcesu.
Historyczne tło nowego odkrycia
Fale grawitacyjne to pojęcie sformułowane przez Einsteina w 1916 roku. Prawie sto lat przed pierwszym ich odkryciem, geniusz fizyki w ogólnej teorii względności pokazał, że przestrzeń nie jest sztywnym tłem wszechświata, ale przypomina tkaninę, która się rozciąga i zagina pod wpływem masywnych obiektów. 15 września 2015 roku dwa zwierciadła w obserwatorium fal grawitacyjnych w Luizjanie przez krótką chwilę lekko zadrżały, a kilka milisekund później zaczęły drgać dwa inne zwierciadła – w Hanfordzie. Oba te miasta posiadają bliźniacze obserwatoria fal grawitacyjnych – LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory). Obserwatoria LIGO wykryły falę grawitacyjną pochodząca z połączenia dwóch czarnych dziur – każda z nich miała około 30 mas Słońca.
W nowym artykule opublikowanym w styczniu 2021 roku, na łamach jednej z najważniejszych gazet naukowych zajmujących się astronomią i astrofizyką, The Astrophysical Journal Supplement, zespół zajmujący się projektem NANOGrav opisał najnowsze odkrycie – fluktuacje z nieznanego źródła, wywołujące regularne fale grawitacyjne z częstotliwością 12,5 roku.
Jak działa obserwatorium NANOGrav?
Na grafice widzimy pulsara, a dokładniej gęstą gwiazdę na środku i dwie wiązki promieniowania wychodzące z jego przeciwległych stron (wizja artystyczna).
Pulsar to bardzo gęsta gwiazda neutronowa, która jest pozostałością po wybuchu supernowej. Z perspektywy Ziemi, wydaje się nam, że to pulsary migają, jednak prawda jest zupełnie inna. Tak naprawdę, światło to pochodzi z dwóch wiązek promieniowania elektromagnetycznego, które znajdują się na przeciwległych biegunach gwiazdy i obracają się z niebywałą regularnością. To właśnie dopiero gdy pada na nas ta wiązka, możemy zobaczyć to promieniowanie. Działa to podobnie jak latarnia morska – obserwator widzi ją, tylko gdy światło skierowane jest w jego stronę. Jeśli pomiędzy Ziemią a obserwowanym pulsarem przejdzie fala grawitacyjna, czasoprzestrzeń może się lekko zaginać i rozciągać, a my zauważymy odstępstwo od regularnego interwału czasu pomiędzy kolejnymi rotacjami. Istnieje jednak wiele innych czynników powodujących zmiany w obserwowanym okresie rotacji pulsara. Tym właśnie znajduje się NANOGrav – odfiltrowuje on wszystkie inne czynniki mające potencjalny wpływ na obserwowany interwał czasowy pulsara, poszukując fal grawitacyjnych.
Dlaczego potrzebujemy kolejnego obserwatorium fal grawitacyjnych, skoro mamy już kilka działających dość sprawnie? Otóż obserwatoria, o których było dość głośno przez ostatnie kilka lat, takie jak LIGO, Virgo, KAGRA czy znajdujący się w Niemczech GEO600, potrafią wykryć fale grawitacyjne pochodzące z koalescencji dwóch masywnych obiektów – czarnych dziur czy gwiazd neutronowych. Natomiast NANOGrav zajmuje się poszukiwaniem fal grawitacyjnych, które są obecne w kosmosie przez cały czas. Mogą one być czymś występującym na stałe jak np. fale grawitacyjne „tła”, czyli zmarszczki czasoprzestrzeni, lub też być wytwarzane przez supermasywne czarne dziury orbitujące wokół siebie w znacznych odległościach. Długość fali wykrywanej przez NANOGrav jest znacznie dłuższa, niż te wykrywane przez np. LIGO, co znaczy, że zarejestrowanie jednej fali grawitacyjnej może trwać lata, podczas gdy eksploatowane do tej pory interferometry robią to w ciągu milisekundy.
Wizja artystyczna przedstawiająca przepływ sygnałów wysyłanych przez pulsary przez zniekształconą czasoprzestrzeń.
Dlaczego naukowcy się wahają?
Jak kuszące nie wydawałoby się ostatnie odkrycie, zespół pracujący nad projektem NANOGrav nie jest gotowy, aby potwierdzić zaobserwowanie zmarszczek czasoprzestrzeni. Skąd to zwątpienie? Aby potwierdzić takie odkrycie, należy przedstawić spektrum dowodów. W tym przypadku naukowcy powinni zaobserwować charakterystyczny wzór, jednolity schemat występujący dla sygnałów z wielu pulsarów. Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, takie fale grawitacyjne powinny mieć różny wpływ na obserwowany sygnał pochodzący z pulsarów, w zależności od ich położenia we wszechświecie względem siebie.
Scott Ransom, jeden z pracowników NRAO (National Radio Astronomy Observatory) mówi, że taka obserwacja wymaga niezwykłej cierpliwości. Wspomina, że badacze analizują obecnie lata danych, a potwierdzenie odkrycia wymagać będzie jeszcze wiele pracy. Jednak to nowe dane były właśnie tym, czego naukowcy oczekiwali.
W tym momencie sygnał jest zbyt słaby, żeby dyskutować tutaj o jakiejś prawidłowości. Aby udowodnić odkrycie, NANOGrav musi zwiększyć swoją bazę danych o obserwację większej liczby pulsarów przez znacznie dłuższy czas, żeby odnaleźć jakieś podobieństwa i schemat między tymi zmianami. NANOGrav łączy także swoje dane z innym projektem, również badającym zmiany w obserwowanym interwale czasowym z pulsarów – International Pulsar Timing Array – używającym największych radioteleskopów dostępnych na naszej planecie.
