In februari 2016 hebben wetenschappers die voor het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) werken de allereerste detectie van zwaartekrachtgolven gedaan. Sinds die tijd zijn er meerdere detecties geweest, grotendeels dankzij verbeteringen in instrumenten en betere samenwerking tussen observatoria. Wat de toekomst betreft, is het mogelijk dat missies die niet voor dit doel zijn ontworpen, ook "maanlicht" kunnen zijn als gravitatiegolfdetectoren.
Zo kan het Gaia-ruimtevaartuig - dat bezig is met het maken van de meest gedetailleerde 3D-kaart van de Melkweg - ook een rol spelen als het gaat om gravitatiegolvenonderzoek. Dat beweerde een team van astronomen van de Universiteit van Cambridge onlangs. Volgens hun studie heeft de Gaia-satelliet de nodige gevoeligheid om ultra-lage frequentie zwaartekrachtgolven te bestuderen die worden geproduceerd door superzware fusies van zwarte gaten.
De studie, getiteld "Astrometrische zoekmethode voor individueel oplosbare gravitatiegolfbronnen met Gaia", verscheen onlangs in de Fysieke beoordelingsbrieven. Onder leiding van Christopher J. Moore, een theoretisch natuurkundige van het Centre for Mathematical Sciences van de University of Cambridge, bestond het team uit leden van het Cambridge Institute of Astronomy, Cavendish Laboratory en het Kavli Institute for Cosmology.
Kortom, zwaartekrachtsgolven (GW's) zijn rimpelingen in de ruimtetijd die worden veroorzaakt door gewelddadige gebeurtenissen, zoals fusies van zwarte gaten, botsingen tussen neutronensterren en zelfs de oerknal. Oorspronkelijk voorspeld door Einstein's Theory of General Relativity, detecteren observatoria zoals LIGO en Advanced Virgo deze golven door te meten hoe ruimte-tijd buigt en knijpt als reactie op GW's die door de aarde gaan.
Het passeren van GW's zou er echter ook voor zorgen dat de aarde op zijn locatie oscilleert ten opzichte van de sterren. Dientengevolge zou een ruimtetelescoop in een baan (zoals Gaia) dit kunnen opvangen door een tijdelijke verschuiving in de positie van verre sterren op te merken. Het Gaia-observatorium, gelanceerd in 2013, heeft de afgelopen jaren zeer nauwkeurige observaties uitgevoerd van de posities van sterren in onze Melkweg (ook bekend als astrometrie).
In dit opzicht zou Gaia op zoek gaan naar kleine verplaatsingen in het enorme veld van sterren dat wordt gevolgd om te bepalen of gravitatiegolven door de buurt van de aarde zijn gegaan. Om te onderzoeken of Gaia de taak aankon of niet, voerden Moore en zijn collega's berekeningen uit om te bepalen of de Gaia-ruimtetelescoop de nodige gevoeligheid had om ultra-lage frequentie GW's te detecteren.
Daartoe simuleerden Moore en zijn collega's zwaartekrachtgolven geproduceerd door een binair superzwaar zwart gat - d.w.z. twee SMBH's die in een baan om elkaar draaien. Wat ze ontdekten was dat door de datasets met een factor van meer dan 10 te comprimeren6 (met 100.000 sterren in plaats van een miljard tegelijk), konden GW's worden hersteld van Gaia-gegevens met een verlies van slechts 1% gevoeligheid.
Deze methode zou vergelijkbaar zijn met de methode die wordt gebruikt in Pulsar Timing Arrays, waar een reeks millisecondepulsars wordt onderzocht om te bepalen of gravitatiegolven de frequentie van hun pulsen wijzigen. In dit geval worden sterren echter gemonitord om te zien of ze oscilleren met een karakteristiek patroon, in plaats van te pulseren. Door naar een veld van 100.000 sterren tegelijk te kijken, zouden onderzoekers geïnduceerde schijnbare bewegingen kunnen detecteren (zie figuur hierboven).
Hierdoor is de volledige release van Gaia-gegevens (gepland voor begin 2020) waarschijnlijk een grote kans voor degenen die op zoek zijn naar GW-signalen. Zoals Moore uitlegde in een APS Physics persbericht:
“Gaia maakt het voor het eerst mogelijk om dit effect te meten. Veel factoren dragen bij aan de haalbaarheid van de aanpak, waaronder de precisie en lange duur van de astrometrische metingen. Gaia zal gedurende een periode van vijf tot tien jaar ongeveer een miljard sterren observeren en ze in die periode minstens 80 keer lokaliseren. Het waarnemen van zoveel sterren is de grote vooruitgang die Gaia heeft geleverd. ”
Het is ook interessant om op te merken dat het potentieel voor GW-detectie iets was dat onderzoekers herkenden toen Gaia nog in ontwikkeling was. Zo'n persoon was Sergei A. Klioner, een onderzoeker van de Lorhrmann-sterrenwacht en de leider van de Gaia-groep aan de TU Dresden. Zoals hij in zijn studie uit 2017, 'Gaia-achtige astrometrie en zwaartekrachtgolven', aangaf, kon Gaia jaren na de gebeurtenis GW's detecteren die werden veroorzaakt door het samenvoegen van SMBH's:
“Het is duidelijk dat de meest veelbelovende bronnen van zwaartekrachtgolven voor astrometrische detectie superzware binaire zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels zijn… Er wordt aangenomen dat binaire superzware zwarte gaten een relatief veelvoorkomend product zijn van interactie en samensmelting van sterrenstelsels in het typische verloop van hun evolutie. Dit soort objecten kunnen zwaartekrachtsgolven geven met zowel frequenties als amplituden die mogelijk binnen het bereik van ruimte-astrometrie liggen. Bovendien kunnen de zwaartekrachtsgolven van die objecten vaak worden beschouwd als een vrijwel constante frequentie en amplitude gedurende de hele observatieperiode van meerdere jaren. ”
Maar er is natuurlijk geen garantie dat het doorzoeken van de Gaia-gegevens extra GW-signalen zal opleveren. Om te beginnen erkennen Moore en zijn collega's dat golven bij deze ultralage frequenties te zwak zouden kunnen zijn om zelfs Gaia te detecteren. Bovendien moeten onderzoekers onderscheid kunnen maken tussen GW's en tegenstrijdige signalen die het gevolg zijn van veranderingen in de oriëntatie van het ruimtevaartuig - wat geen gemakkelijke uitdaging is!
Toch is er hoop dat missies zoals Gaia GW's kunnen onthullen die niet gemakkelijk zichtbaar zijn voor op de grond gebaseerde interferometrische detectoren zoals LIGO en Advanced Virgo. Dergelijke detectoren zijn onderhevig aan atmosferische effecten (zoals refractie) die voorkomen dat ze extreem laagfrequente golven zien - bijvoorbeeld de primordiale golven die worden geproduceerd tijdens het inflatoire tijdperk van de oerknal.
In die zin is gravitatiegolfonderzoek niet anders dan exoplaneetonderzoek en vele andere takken van de astronomie. Om de verborgen edelstenen te vinden, moeten observatoria mogelijk de ruimte in gaan om atmosferische interferentie te elimineren en hun gevoeligheid te vergroten. Het is dan mogelijk dat andere ruimtetelescopen worden omgebouwd voor GW-onderzoek en dat de volgende generatie GW-detectoren aan boord van ruimtevaartuigen worden gemonteerd.
In de afgelopen jaren zijn wetenschappers overgegaan van het voor het eerst detecteren van zwaartekrachtsgolven naar het ontwikkelen van nieuwe en betere manieren om ze te detecteren. In dit tempo duurt het niet lang voordat astronomen en kosmologen zwaartekrachtsgolven in onze kosmologische modellen kunnen opnemen. Met andere woorden, ze zullen kunnen aantonen welke invloed deze golven speelden op de geschiedenis en evolutie van het heelal.
