Tło fal grawitacyjnych

Chcę dziś przybliżyć spore odkrycie (czy można nazwać odkryciem potwierdzenie czegoś co od dawna przewidywano?) z lipca. Zakładam, że widzieliście nagłówki o tle fal grawitacyjnych. Temat nie jest prosty i myślę, że uproszczone newsy mogły wprowadzić trochę błędnych skojarzeń.

Po pierwsze “gravitational wave background” brzmi bardzo podobnie do “kosmicznego promieniowania tła”, więc łatwo pomyśleć, że to fale grawitacyjne pozostałe po Wielkim Wybuchu. Otóż nie, a przynajmniej prawie na pewno nie. Mamy tu do czynienia najprawdopodobniej z szumem wywoływanym przez układy podwójne masywnych czarnych dziur lub inne interakcje masywnych obiektów. Ale nie zbyt masywne i czy gwałtowne. Te potężne (jak “zderzenia” czarnych dziur) wykrywają obserwatoria grawitacyjne na Ziemi, takie jak LIGO. Badają one za pomocą laserów to, jak zmienia się długość dwóch ramion długich tuneli zbudowanych pod kątem prostym. Fale grawitacyjne rozciągają i kurczą czasoprzestrzeń w jednym kierunku, więc jeśli tylko fala nie dociera do obserwatorium pod kątem 45 stopni i jest odpowiednio silna, można ją zmierzyć. Tak można zaobserwować kolizje czarnych dziur i inne najsilniejsze zjawiska grawitacyjne.

Jak zatem odkryć słabszy i chaotyczny “szum” grawitacyjny tła, czyli złożenie fal generowanych przez te mniej spektakularne źródła? Używając pulsarów milisekundowych. Są słynne, bo działają jak najbardziej precyzyjne zegary w kosmosie. Jednak nawet ich “pulsacje” cechują drobne nieregularności, szumy. Nie wynikają z nieregularności w obrotach tych zbitych, masywnych gigantów. Kiedy fale radiowe z pulsara przechodzą przez obłoki zjonizowanego gazu mogą ulec spowolnieniu, albo jeśli pomiędzy nimi a Ziemią szaleją fale grawitacyjne…

Tylko jak stwierdzić, że te szumy to efekt fal grawitacyjnych? Pomysł polega na badaniu tego, jak nieregularności różnych pulsarów korelują ze sobą. Jeśli fala grawitacyjna nadchodzi akurat z jednej strony to podobnie zakłóci pulsary pod podobnym kątem (blisko siebie na naszym niebie) lub znajdujące się pod kątem bliskim 180 stopni. Jednocześnie nie powinno być korelacji z tymi które znajdują się na niebie pod kątem prostym. Badaczki (i to w dwóch niezależnych zespołach) przebadały dane pulsarów na przestrzeni dekad porównując parami jak korelowały zakłócenia. Wyniki były zbieżne z modelem zakładającym istnienie tła fal grawitacyjnych. Tadam!

Odkrycie (potwierdzenie?) ma pewność trochę ponad trzy-sigma (czyli ponad 99.7%), co nie spełnia wymarzonego standardu pięć-sigma (99.9999426697%). Jednak w środowisku astronomicznym nie czuć nadmiernego sceptycyzmu. Pewnie dlatego, że takie delikatniejsze fale grawitacyjne były przewidywane i ich obecność jest dość logiczna. Inspirujące, że raptem w 2015 udało się po raz pierwszy zarejestrować fale grawitacyjne. Było to otwarcie nowego rozdziału w astronomii, która do niedawna musiała ograniczać się do spektrum fal elektromagnetycznych - od radiowych, przez optyczne po fale gamma. Grawitacyjna astronomia to zupełnie osobne medium i ciekawe co jeszcze nam ukaże w najbliższych dekadach.


Do zrobienia grafiki posłużyłem się (już nie pierwszy raz) ikonkami od Freepika.