Gravitációs hullámokat is lehet keresni a Gaia ultrapontos égi pozícióméréseiben

2169

„Mennyi mindenre használható a Gaia űrtávcső!” rovatunkban ma: a Gaia egy újabb lehetséges alkalmazása – talán a legegzotikusabb mind közül: gravitációs hullámok kimutatása. Az Európai Űrügynökség (ESA) Gaia asztrometriai űrtávcsövének a legfontosabb célja, hogy megmérje galaxisunk több mint egymilliárd csillagának – ez a Tejútrendszer összes csillagának több mint egy százaléka (!) – a térbeli helyzetét és mozgását. A 2013-ban pályára állított Gaia űrtávcső jelenleg is működik és adatokat gyűjt, miközben az első három év mérései már hozzáférhetőek. Ez a hatalmas adatbázis csillagászati kutatási programok kimeríthetetlen tárháza.

Érthető módon rendkívül sokféle tudományos vizsgálat végezhető ilyen rengeteg megfigyelési adaton, de hogy ezek közé tartozhat még a gravitációs hullámok kimutatása is, azt bizonyára nem sokan gondolták volna [1]. Azért is nehéz ezt elképzelni, mert a Gaia egy néhány méteres műhold a világűrben, míg az eddigi összes megfigyelt gravitációs hullámot a föld alá, több kilométer hosszú alagutakba épített, több száz watt teljesítményű lézernyalábokkal dolgozó interferométerekkel mutatták ki. A Gaia egészen más elveket használna ki, mint a VIRGO és LIGO lézer-interferométerei, így más jellegű források más jellegű gravitációs sugárzásának a detektálását remélhetjük tőle.

Az északi égbolt ortografikus vetülete 1000 tesztcsillaggal. A fekete és piros vonalak a csillagoknak egy, az északi pólus irányából érkező gravitációs hullám hatására bekövetkező elmozdulásait szemléltetik (polarizációtól függően), hozzávetőleg trilliószorosan eltúlozva. Forrás: Cristopher J. Moore et al. (2017).

A működési elv alapja, hogy ha a megfigyelt Tejútrendszerbeli csillagok és a Gaia űrtávcső közötti térben gravitációs hullámok terjednek, azok kis mértékben eltérítik a fénysugarak útját. A távcső ezért nagyon gyenge imbolygást fog látni a csillagok pozíciójában a gravitációs hullám frekvenciájával. A Gaia űrtávcsövet pedig éppen arra tervezték, hogy a csillagok nagyon kicsiny elmozdulásait is pontosan észlelje.

Ám az, hogy a Gaia több mint egymilliárd csillagot kísér figyelemmel, egyben nehezítés is, mert hatalmas adathalmazt állít elő, amit a gravitációs hullámok nyomai után kutatva átvizsgálni hihetetlenül nagy számítási kapacitást igényelne. A csillagászok egy igen ötletes megoldással álltak elő ennek a problémának a kiküszöbölésére. Kitalálták, hogyan csökkenthető az adatmennyiség az egymilliomod részére, az érzékenység mindössze 1%-át feláldozva. Ahogyan a fenti ábrán láthatjuk, a gravitációs hullámok az egymáshoz közeli csillagok fényét közel egyforma módon térítik el. Ezért nem kell mind az egymilliárdnyi csillagot egyedileg vizsgálni, hanem elég, ha az égbolt kb. 1000 cellájában összeátlagolják a csillagokat, és a későbbiekben már csak ezeket a virtuális csillagokat vizsgálják.

Az adatok egymilliomodára való tömörítéséhez felhasznált cellák néhány valódi csillaggal az eloszlás szemléltetésére, galaktikus koordináta-rendszerben. A színárnyalatok a módszer érzékenységének változásait szemléltetik, ami lényegében a csillagok Tejútba való koncentrálódásának a következménye. A módszer a Tejútrendszer pólusainak az irányában a legérzékenyebb, ami az optikai utánkövetés szempontjából hasznos, hiszen ezekben az irányokban látunk ki legjobban a galaxisunkból. Forrás: Cristopher J. Moore et al. (2017).

Ezt az imbolygást persze csak akkor figyelheti meg az űrtávcső, ha annak periódusa jóval hosszabb a mintavételi időköznél. Emiatt a Gaia űrtávcsőtől nanohertzes (néhány nHz – néhány száz nHz, ami néhány hónaptól sok évig terjedő periódusidőnek felel meg) frekvenciájú gravitációs hullámok felfedezését remélhetjük. Ilyen hullámokat a szupernagy tömegű feketelyuk-párok keltenek.

Szupernagy tömegű fekete lyukak pedig a galaxisok középpontjában találhatóak. Ezekről tudjuk, hogy tömegük eléggé hasonlóan skálázódik a gazdagalaxisuk tömegével. A galaxisok pedig fejlődnek, kölcsönhatnak, összeolvadnak. Ilyenkor a központi fekete lyukaknak is egyesülniük kell, ám hogy ez pontosan miképp megy végbe, az ma még a feketelyuk-kutatás egyik rejtélye. Ezért is volna fontos a tőlük származó gravitációs hullámok felfedezése és vizsgálata.

A módszer tehát készen áll, és noha még nem találtak vele gravitációs hullámokat, a kutatók izgatottan várják a Gaia további adatait, hogy átfésüljék ebből, a küldetés eredeti céljaitól teljesen eltérő szempontból is.

Forrás: Astrobites – Bécsy Bence; Moore, C.J. et al. (2017) Phys.Rev.Lett. 119, 261102

Megjegyzés:
[1] A gravitációs hullámok a téridő szerkezetének aszimmetrikusan mozgó nagy tömegű testek által keltett, és fénysebességgel terjedő fodrozódásai. Kimutatható erősségű gravitációs hullámokat azonban csak a legnagyobb tömegű égitestektől – fekete lyukaktól és neutroncsillagoktól – remélhetünk, és ezektől is csak akkor, ha rendkívül nagy, a fényéhez közeli, vagyis relativisztikus sebességgel mozognak. És még ezeknek a jelenségeknek a gravitációs hullámai is nagyon gyengék lesznek, mire elérik a Föld környezetét.

Hozzászólás

hozzászólás