U veljači 2016., znanstvenici koji rade za opservatorij gravitacijskog vala Laser Interferometar (LIGO) prvi su puta otkrili gravitacijske valove. Od tada su se desile višestruke detekcije, što je u najvećoj mjeri zahvaljujući poboljšanjima instrumenata i većoj razini suradnje između opservatorija. Gledajući unaprijed, moguće je da misije koje nisu osmišljene u tu svrhu također mogu „mjesečevu svjetlost“ dobiti kao gravitacijski detektori valova.
Na primjer, svemirska letjelica Gaia - koja je zauzeta izradom najcrnjivnije 3D karte Mliječnog puta - također bi mogla biti od koristi kada je u pitanju istraživanje gravitacijskih valova. To je tvrdio tim astronoma sa Sveučilišta u Cambridgeu nedavno. Prema njihovoj studiji, satelit Gaia ima potrebnu osjetljivost za proučavanje gravitacijskih valova ultra-niske frekvencije koji nastaju supermasivim spajanjem crnih rupa.
Studija pod naslovom "Astrometrijska metoda pretraživanja za pojedinačno rješive izvore gravitacijskog vala s Gaijom" nedavno se pojavila u časopisu Pisma o fizičkom pregledu, Tim pod vodstvom Christophera J. Moorea, teoretskog fizičara iz Centra za matematičke znanosti na Sveučilištu u Cambridgeu, tim je uključivao članove iz Cambridgeovog instituta za astronomiju, Cavendish Laboratory i Kavli instituta za kozmologiju.
Da bi se rekapiralo, gravitacijski valovi (GW) su valovi u prostor-vremenu koji nastaju nasilnim događajima, poput spajanja crne rupe, sudara neutronskih zvijezda, pa čak i Velikog praska. Izvorno predviđena Einsteinovom teorijom opće relativnosti, opservatoriji poput LIGO-a i napredne Djevice otkrivaju te valove mjereći način na koji se prostor-vrijeme savija i probija kao odgovor na GW-e koji prolaze kroz Zemlju.
Međutim, donošenje GW-a također bi uzrokovalo da zemlja oscilira na svom mjestu u odnosu na zvijezde. Kao rezultat, orbitirani svemirski teleskop (poput Gaia), mogao bi to shvatiti primjećujući privremeni pomak položaja udaljenih zvijezda. Pokrenut 2013. godine, opservatorij Gaia proveo je posljednjih nekoliko godina provodeći visoko precizne promatranja položaja zvijezda u našoj Galaksiji (aka. Astrometry).
U tom bi pogledu Gaia tražila male pomake u ogromnom polju zvijezda koje prati kako bi utvrdila jesu li gravitacijski valovi prošli kroz Zemljino susjedstvo. Kako bi istražili je li Gaia ispunjen zadatku ili ne, Moore i njegovi kolege izvršili su proračune kako bi utvrdili ima li Gaia svemirski teleskop potrebnu osjetljivost za otkrivanje GW-a ultra niske frekvencije.
U tu svrhu Moore i njegovi kolege simulirali su gravitacijske valove proizvedene binarnom supermasivnom crnom rupom - tj. Dva SMBH koja kruže jedno oko drugog. Otkrili su to tako što su kompresovali skupove podataka s faktorom većim od 106 (mjereći 100.000 zvijezda umjesto milijardu odjednom), GW-ovi bi se mogli dobiti iz podataka Gaia s samo 1% gubitka osjetljivosti.
Ova metoda bila bi slična onoj koja se koristi u Pulsar timing array-u, gdje se ispituje skup milisekundi pulsari kako bi se utvrdilo da li gravitacijski valovi mijenjaju frekvenciju njihovih impulsa. Međutim, u ovom se slučaju zvijezde prate kako bi se vidjelo da li osciliraju s karakterističnim uzorkom, a ne da pulsiraju. Gledajući polje od 100.000 zvijezda u isto vrijeme, istraživači bi mogli otkriti inducirane prividne pokrete (vidi gornju sliku).
Zbog toga će potpuno puštanje podataka Gaia (zakazano za početak 2020-ih) biti velika prilika za one koji love na GW signale. Kao što je Moore objasnio u a APS fizika priopćenje za javnost:
„Gaia će mjerenje ovog efekta prvi put učiniti realnom perspektivom. Mnogi čimbenici doprinose izvodljivosti pristupa, uključujući preciznost i dugo trajanje astrometrijskih mjerenja. Gaia će promatrati oko milijardu zvijezda tijekom 5–10 godina, locirajući svaku od njih najmanje 80 puta u tom razdoblju. Promatranje toliko zvijezda glavni je napredak koji je Gaia pružila. "
Zanimljivo je također primijetiti da je potencijal otkrivanja GW-a bio nešto što su istraživači prepoznali još dok je Gaia još bila dizajnirana. Jedan takav pojedinac bio je Sergej A. Klioner, istraživač iz Lorhrmannove opservatorije i vođa grupe Gaia iz TU Dresden. Kao što je naveo u svojoj studiji iz 2017., "Gaia-astrometrija i gravitacijski valovi", Gaia je mogla otkriti GW-ove uzrokovane spajanjem SMBH godina nakon događaja:
"Jasno je da su najperspektivniji izvori gravitacijskih valova za astrometrijsko otkrivanje supermasivne binarne crne rupe u središtima galaksija ... Vjeruje se da su binarne supermasivne crne rupe relativno čest proizvod interakcije i spajanja galaksija u tipičnom toku njihova evolucija. Ova vrsta objekata može dati gravitacijske valove s frekvencijama i amplitudama, potencijalno unutar dosega svemirske astrometrije. Štoviše, gravitacijski valovi s tih objekata često se mogu smatrati da imaju gotovo konstantnu frekvenciju i amplitudu tijekom čitavog razdoblja opažanja od nekoliko godina. "
Ali naravno, nema garancija da će prosijavanje podataka iz Gaia otkriti dodatne GW signale. Kao prvo, Moore i njegovi kolege priznaju da bi valovi na ovim ultra-niskim frekvencijama mogli biti preslabi da bi ih Gaia čak mogla otkriti. Pored toga, istraživači će morati razlikovati između GW-a i sukobljenih signala koji proizlaze iz promjena orijentacije svemirske letjelice - što nije lak izazov!
Ipak, postoji nada da će misije poput Gaia moći otkriti GW-ove koji nisu lako vidljivi na zemaljskim interferometrijskim detektorima poput LIGO-a i Advanced Device. Takvi detektori podliježu atmosferskim učincima (poput refrakcije) koji im onemogućuju da vide valove ekstremno niske frekvencije - na primjer, primordijalne valove nastale tijekom inflatorne epohe Velikog praska.
U tom smislu, gravitacijsko istraživanje valova nije za razliku od istraživanja egzoplaneta i mnogih drugih grana astronomije. Da bi se pronašli skriveni dragulj, promatračnice će možda trebati odvesti u svemir kako bi se uklonile atmosferske smetnje i povećala njihova osjetljivost. Tada je moguće da se drugi svemirski teleskopi preuređuju za istraživanje GW-a i da se na svemirske letjelice postave GW detektori nove generacije.
U posljednjih nekoliko godina, znanstvenici su prešli od prve detekcije gravitacijskih valova do razvoja novih i boljih načina za njihovo otkrivanje. Pri toj brzini neće biti puno prije nego što astronomi i kozmolozi budu u stanju uključiti gravitacijske valove u naše kozmološke modele. Drugim riječima, oni će moći pokazati koliki utjecaj su ti valovi igrali u povijesti i evoluciji svemira.
