V únoru 2016 vědci pracující pro gravitační vlnovou observatoř laserového interferonu (LIGO) provedli vůbec první detekci gravitačních vln. Od té doby došlo k vícenásobným detekcím, a to především díky vylepšením nástrojů a vyšší úrovni spolupráce mezi observatořími. Pokud jde o budoucnost, je možné, že mise, které nejsou pro tento účel určeny, by mohly také „měsíční svit“ jako detektory gravitačních vln.
Například kosmická loď Gaia, která je zaneprázdněna tvorbou nejpodrobnější 3D mapy Mléčné dráhy, by mohla být také nápomocná při výzkumu gravitačních vln. To nedávno tvrdil tým astronomů z University of Cambridge. Podle jejich studie má satelit Gaia nezbytnou citlivost pro studium ultra-nízkofrekvenčních gravitačních vln, které jsou produkovány superhmotnými fúzemi černých děr.
Studie s názvem „Metoda astrometrického vyhledávání individuálně řešitelných gravitačních vlnových zdrojů s Gaií“ se nedávno objevila v Dopisy fyzické kontroly. V čele s Christopherem J. Moorem, teoretickým fyzikem z Centra pro matematické vědy na University of Cambridge, byli členy týmu z Cambridgeova institutu astronomie, Cavendish Laboratory a Kavli Institute for Cosmology.
Zkrátka řečeno, gravitační vlny (GW) jsou vlnky v časoprostoru, které jsou vytvářeny násilnými událostmi, jako jsou fúze černých děr, srážky mezi neutronovými hvězdami a dokonce i Velký třesk. Observatoře jako LIGO a Advanced Virgo, původně předpovídané Einsteinovou teorií obecné relativity, detekují tyto vlny měřením toho, jak se časoprostorové ohyby a stlačení mění v reakci na GW procházející Zemí.
Avšak průchod GWs by také způsobil, že Země bude oscilovat na svém místě vzhledem k hvězdám. V důsledku toho by oběžný kosmický dalekohled (jako například Gaia) byl schopen to zachytit zaznamenáním dočasného posunu v poloze vzdálených hvězd. Hvězdárna Gaia, která byla zahájena v roce 2013, strávila několik posledních let prováděním vysoce přesných pozorování pozic hvězd v naší Galaxii (aka. Astrometrie).
V tomto ohledu by Gaia hledala malé posuny v masivním poli hvězd, které monitoruje, aby určila, zda gravitační vlny prošly sousedstvím Země. Moore a jeho kolegové provedli výpočty, aby zjistili, zda Gaia splnil úkol, či nikoli, provedli výpočty, aby zjistili, zda má kosmický dalekohled Gaia potřebnou citlivost k detekci ultra nízkofrekvenčních GW.
Za tímto účelem Moore a jeho kolegové simulovali gravitační vlny produkované binární supermasivní černou dírou - tj. Dvěma SMBH obíhajícími jeden druhého. Zjistili, že komprimací datových souborů faktorem více než 106 (měří 100 000 hvězd namísto jedné miliardy najednou), GW lze získat z dat Gaia s pouze 1% ztrátou citlivosti.
Tato metoda by byla podobná metodě používané v Pulsar Timing Arrays, kde se zkoumá sada milisekundových pulsarů, aby se určilo, zda gravitační vlny mění frekvenci jejich pulzů. V tomto případě jsou však hvězdy monitorovány, aby zjistily, zda oscilují spíše charakteristickým vzorem než pulzováním. Při pohledu na pole 100 000 hvězd najednou by vědci dokázali detekovat indukované zdánlivé pohyby (viz obrázek výše).
Z tohoto důvodu bude úplné uvolnění dat Gaia (naplánováno na začátek 20. let) pravděpodobně velkou příležitostí pro ty, kteří loví signály GW. Jak Moore vysvětlil v a Fyzika APS tisková zpráva:
"Gaia učiní měření tohoto účinku poprvé realistickou perspektivou." K proveditelnosti přístupu přispívá mnoho faktorů, včetně přesnosti a dlouhého trvání astrometrických měření. Gaia bude během 5–10 let pozorovat asi miliardu hvězd a každou z nich umístí během tohoto období nejméně 80krát. Pozorování tolika hvězd je hlavním pokrokem, který poskytla Gaia. “
Je také zajímavé poznamenat, že potenciál pro detekci GW byl něco, co vědci uznali, když byla Gaia stále vyvíjena. Jedním z takových jedinců byl Sergei A. Klioner, výzkumník z Lorhrmann Observatory a vůdce skupiny Gaia v TU Dresden. Jak naznačil ve své studii 2017 „Gaia-like astrometry and gravitational wave“, Gaia dokázala detekovat GW způsobené sloučením SMBH roky po události:
"Je zřejmé, že nejslibnějšími zdroji gravitačních vln pro astrometrickou detekci jsou supermasivní binární černé díry v centrech galaxií ... Předpokládá se, že binární supermasivní černé díry jsou relativně běžným produktem interakce a slučování galaxií v typickém průběhu jejich vývoj. Tento druh objektů může dát gravitačním vlnám s frekvencemi i amplitudami potenciálně v dosahu vesmírné astrometrie. Navíc gravitační vlny z těchto objektů lze často považovat za mající prakticky konstantní frekvenci a amplitudu po celou dobu pozorování několika let. “
Ale samozřejmě neexistují žádné záruky, že prosévání dat Gaia odhalí další GW signály. Pro jednu věc, Moore a jeho kolegové uznávají, že vlny na těchto ultra nízkých frekvencích mohou být příliš slabé na to, aby je mohla detekovat i Gaia. Kromě toho budou muset být vědci schopni rozlišovat mezi GW a konfliktními signály, které vyplývají ze změn orientace kosmické lodi - což není snadná výzva!
Stále existuje naděje, že mise, jako je Gaia, budou schopny odhalit GW, které nejsou snadno viditelné pro pozemní interferometrické detektory, jako je LIGO a Advanced Virgo. Takové detektory jsou vystaveny atmosférickým efektům (jako je lom), které jim brání vidět extrémně nízkofrekvenční vlny - například prvotní vlny produkované během inflační epochy Velkého třesku.
V tomto smyslu není výzkum gravitační vlny na rozdíl od výzkumu exoplanet a mnoha dalších odvětví astronomie. Za účelem nalezení skrytých drahokamů může být nutné, aby observatoře zabraly prostor, aby odstranily atmosférické rušení a zvýšily jejich citlivost. Je tedy možné, že další vesmírné dalekohledy budou obnoveny pro výzkum GW a že detektory nové generace GW budou namontovány na palubu kosmické lodi.
V uplynulých několika letech vědci přešli od první detekce gravitačních vln k vývoji nových a lepších způsobů jejich detekce. Tímto tempem to nebude trvat dlouho, než budou astronomové a kosmologové schopni zahrnout gravitační vlny do našich kosmologických modelů. Jinými slovy, budou schopni ukázat, jaký vliv tyto vlny hrály v historii a vývoji vesmíru.
