Zarejestrowano "szum" Wszechświata. Po raz pierwszy

Od niedawna wiadomo, że nasłuchując sygnały pulsarów można badać fale grawitacyjne. Badanie fal radiowych emitowanych przez te martwe gwiazdy pozwoliło prawdopodobnie na pierwszą detekcję sygnału niskiej częstotliwości będącym „dźwiękiem” tła fali grawitacyjnej (ang. gravitational wave background) zostawionego w czasoprzestrzeni np. po zderzeniu dwóch czarnych dziur.

Przy wszystkim, czego dowiedzieliśmy się na temat fal grawitacyjnych po ich (nagrodzonym Noblem) potwierdzeniu w 2017 roku, kosmos powinien być ich pełen. Źródeł dla zmarszczek na czasoprzestrzeni nie brakuje, począwszy od samego Wielkiego Wybuchu na supernowych kończąc. Ich świadoma obserwacja byłaby bezcenna dla lepszego zrozumienia wszechświata.

Fale te, w teorii, powinny tworzyć dający się „usłyszeć” szum, coś jak dzwonienie w uszach na skutek zbyt bliskiego wybuchu petardy. Nie należy mylić go z szumem w radioodbiorniku czy telewizorze. To w większości skutek działania człowieka i zmian pogody. Najbliżej kontaktu z faktycznym kosmicznym szumem bylibyśmy kierując antenę satelitarną w stronę Słońca, które jak wiele obiektów w kosmosie taki emituje.

Naukowcy w 2018 roku oszacowali, że każdego roku mamy ok. 100 tys. zdarzeń emisji fal grawitacyjnych zbyt jednak słabych, by detektory mogły je wykryć. Łączące się fale tworzą wspomniane tło, rodzaj cichego szumu. Pierwszy dowód na to, że on faktycznie istnieje dostarczyli w formie pre printu we wrześniu 2020 roku, (a ostatnio w grudniowym numerze „The Astrophysical Journal Letters” astronomowie skupieni przy północnoamerykańskim projekcie NANOGrav, czyli North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves.

NANOGrav wspólnie europejskimi partnerami z European International Pulsar Timing Array (EPTA) oraz naukowcami z Australii pracującymi przy projekcie The Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) tworząc międzynarodową sieć chronometrażu pulsarów (International Pulsar Timing Array, IPTA). Wykorzystując połączone moce ziemskich radioteleskopów mierzą opóźnienia czasów przyjścia sygnałów z pulsarów.

Pulsary są nieocenionym wsparciem przy różnych pomiarach, bo z niezmąconą powtarzalnością emitują z biegunów dające się zmierzyć promieniowanie radiowe. Gdy odczyt wskazuje na zaburzenie (opóźnienie lub przyśpieszenie), winnym może być właśnie interakcja sygnału z falą grawitacyjną gdzieś pomiędzy pulsarem a detektorem na Ziemi (gala kurczy lub rozszerza czasoprzestrzeń).

Jeden pulsar nic nam nie powie, ale jeżeli nasłuch prowadzi się jednocześnie wielu takich gwiazd, to skoordynowane zaburzenia czasu nadejścia sygnału można ze sobą porównać i eliminować przesunięcia niespowodowane falami grawitacyjnymi. Prawdopodobny sygnał takiej fali pojawił się w danych NANOGrav opublikowanych właśnie w ubiegłym roku na podstawie monitorowania przez 13 lat 45 najbardziej stabilnych pulsarów w naszej galaktyce.

fot. Tonia Klein / NANOGrav

Jak tłumaczą autorzy odkrycia, nie jest to faktyczny sygnał zostawiony przez falę grawitacyjną, ale rodzaj „szumu” o wspólnych dla każdego pulsara cechach. W danych z wieloletniego nasłuchu wyglądają one jako odchylenia od normy rzędu setek nanosekund. Istnieje ryzyko, że owe zróżnicowanie to wynik niedokładności pomiaru prowadzonego z Ziemi, czyli platformy będącej w stałym ruchu. Do kalkulacji bardziej dokładnej konieczne jest uwzględnienie danych w stosunku środka ciężkości (barycentrum) Układu Słonecznego. Na szczęście NANOGrav zdołał określić go w 2020 roku z dokładnością do 100 metrów (znajduje się w okolicach powierzchni Słońca).

- To niesamowicie ekscytujące móc widzieć tak silny sygnał w naszych danych. Musimy jednać dobrze zrozumieć nasz hałas. Musimy jeszcze wykluczyć inne znane potencjalne źródła zanim będziemy wiedzieć, czy ów sygnał faktycznie pochodzi od fal grawitacyjnych. Potrzeba do tego więcej danych – tłumaczy w serwisie Science Alert astrofizyk Joseph Simon z uczelni University of Colorado Boulder, jeden z uczestników projektów NANOGrav.

Ekscytacja udzieliła się badaczom na całym świecie, bo jak zauważył Science Alert, analizą danych z NANOGrav zajęło się wielu ekspertów z całego świata i liczba publikacji naukowych cytujących potencjalne odkrycie tła fal grawitacyjnych przekroczyła już 80. Nikt do tej pory jednoznacznie nie zaprzeczył ani nie potwierdził prawdziwości sygnału. Gdyby jednak wynik okazał się pozytywny, astronomia fal grawitacyjnych weszłaby w zupełnie nową fazę, pozwalając m.in. zrozumieć przebieg zderzeń supermasywnych czarnych dziur, a może i dokładniej poznać wszechświat po Wielkim Wybuchu.