В феврале 2016 года ученые, работающие в лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), сделали первое в мире обнаружение гравитационных волн. С того времени было проведено несколько обнаружений, во многом благодаря усовершенствованиям приборов и более высокому уровню сотрудничества между обсерваториями. Забегая вперед, возможно, что миссии, не предназначенные для этой цели, могут также «светиться луной» как детекторы гравитационных волн.
Например, космический аппарат Gaia, который занимается созданием самой подробной трехмерной карты Млечного Пути, также может быть полезен, когда дело доходит до исследования гравитационных волн. Именно об этом недавно заявляла команда астрономов из Кембриджского университета. Согласно их исследованию, спутник Gaia обладает необходимой чувствительностью для изучения сверхнизкочастотных гравитационных волн, которые создаются сверхмассивными слияниями черных дыр.
Исследование, озаглавленное «Астрометрический метод поиска для индивидуально разрешимых источников гравитационных волн с Gaia», недавно появилось в Письма о физическом обзоре, Под руководством Кристофера Дж. Мура, физика-теоретика из Центра математических наук Кембриджского университета, в состав группы входили члены из Кембриджского института астрономии, Кавендишской лаборатории и Института космологии им. Кавли.
Напомним, что гравитационные волны (ГВ) - это пульсации в пространстве-времени, которые создаются насильственными событиями, такими как слияния черных дыр, столкновения между нейтронными звездами и даже Большой взрыв. Первоначально предсказанные теорией общей теории относительности Эйнштейна, обсерватории, такие как LIGO и Advanced Virgo, обнаруживают эти волны, измеряя, как пространство-время сгибается и сжимается в ответ на проходящие через Землю GW.
Однако прохождение GW также может привести к колебаниям Земли относительно ее расположения относительно звезд. В результате орбитальный космический телескоп (такой как Gaia) мог бы уловить это, отметив временное смещение положения далеких звезд. Запущенная в 2013 году, обсерватория Гайя провела последние несколько лет, проводя высокоточные наблюдения за положениями звезд в нашей Галактике (иначе говоря, астрометрия).
В этом отношении Гайя будет искать небольшие смещения в массивном поле звезд, которые она отслеживает, чтобы определить, прошли ли гравитационные волны через окрестности Земли. Чтобы выяснить, выполнил ли Gaia эту задачу, Мур и его коллеги выполнили расчеты, чтобы определить, обладает ли космический телескоп Gaia необходимой чувствительностью для обнаружения сверхнизкочастотных GW.
С этой целью Мур и его коллеги моделировали гравитационные волны, создаваемые двойной сверхмассивной черной дырой - то есть двумя SMBH, вращающимися вокруг друг друга. Они обнаружили, что при сжатии наборов данных более чем в 10 раз6 (измеряя 100 000 звезд вместо миллиарда за раз), GW можно было бы восстановить из данных Gaia с потерей чувствительности только на 1%.
Этот метод был бы аналогичен тому, который используется в Pulsar Timing Arrays, где набор миллисекундных пульсаров исследуется, чтобы определить, изменяют ли гравитационные волны частоту своих импульсов. Однако в этом случае за звездами следят, чтобы увидеть, колеблются ли они с характерным рисунком, а не пульсируют. Глядя на поле из 100 000 звезд за один раз, исследователи смогут обнаружить индуцированные видимые движения (см. Рисунок выше).
Из-за этого полный выпуск данных Gaia (запланированных на начало 2020-х годов), вероятно, станет основной возможностью для тех, кто охотится за сигналами GW. Как объяснил Мур в АПС Физика пресс-релиз:
«Gaia впервые сделает измерение этого эффекта реалистичной перспективой. Многие факторы способствуют осуществимости подхода, в том числе точность и длительность астрометрических измерений. Гайя будет наблюдать около миллиарда звезд в течение 5–10 лет, обнаруживая каждую из них как минимум 80 раз за этот период. Наблюдение за столь многими звездами - главное достижение, предоставленное Гайей ».
Также интересно отметить, что потенциал обнаружения GW был тем, что исследователи осознали, когда Gaia все еще разрабатывался. Одним из таких людей был Сергей А. Клионер, исследователь из Обсерватории Лоррманн и руководитель группы Gaia в TU Dresden. Как он указал в своем исследовании 2017 года «Астрометрия и гравитационные волны, подобные Гайе», Гайя мог обнаруживать GW, вызванные слиянием SMBH спустя годы после события:
«Понятно, что наиболее перспективными источниками гравитационных волн для астрометрического обнаружения являются сверхмассивные двойные черные дыры в центрах галактик… Считается, что двойные сверхмассивные черные дыры являются относительно распространенным продуктом взаимодействия и слияния галактик в типичном ходе их эволюция. Объекты такого типа могут создавать гравитационные волны с частотами и амплитудами, потенциально находящиеся в пределах досягаемости космической астрометрии. Более того, часто можно считать, что гравитационные волны от этих объектов имеют практически постоянную частоту и амплитуду в течение всего периода наблюдений в несколько лет ».
Но, конечно, нет никаких гарантий, что просеивание данных Gaia выявит дополнительные сигналы GW. Во-первых, Мур и его коллеги признают, что волны на этих сверхнизких частотах могут быть слишком слабыми, чтобы даже Гайя мог их обнаружить. Кроме того, исследователи должны будут иметь возможность различать ГВ и противоречивые сигналы, возникающие в результате изменения ориентации космического корабля, что является нелегкой задачей!
Тем не менее, есть надежда, что такие миссии, как Gaia, смогут обнаружить GW, которые не легко увидеть на наземных интерферометрических детекторах, таких как LIGO и Advanced Virgo. Такие детекторы подвержены атмосферным воздействиям (таким как преломление), которые мешают им видеть чрезвычайно низкочастотные волны - например, исконные волны, возникшие в период инфляции Большого взрыва.
В этом смысле исследования гравитационных волн мало чем отличаются от исследований экзопланет и многих других областей астрономии. Для того, чтобы найти скрытые драгоценные камни, обсерватории, возможно, придется взять в космос, чтобы устранить атмосферные помехи и повысить их чувствительность. Тогда возможно, что другие космические телескопы будут переоборудованы для исследований ГВ, а детекторы ГВ следующего поколения будут установлены на борту космического корабля.
За последние несколько лет ученые прошли путь от первого обнаружения гравитационных волн к разработке новых и более эффективных способов их обнаружения. При таких темпах скоро астрономы и космологи смогут включить гравитационные волны в наши космологические модели. Другими словами, они смогут показать, какое влияние эти волны сыграли в истории и развитии Вселенной.
