Гравітаційно-хвильовий фон (GWB): прорив у прямому виявленні

Гравітаційна хвиля was directly detected for the first time in 2015 after a century of its prediction by Einstein’s General Theory of Relativity in 1916. But, the continuous, low frequency Гравітаційне-wave Background (GWB) that is thought to be present throughout the всесвіт has not been detected directly so far. The researchers at North American Nanohertz Observatory for Гравітаційні хвилі (NANOGrav) have recently reported detection of a low-frequency signal that could be ‘Gravitational-wave Background (GWB)’.   

Загальна теорія відносності, запропонована Ейнштейном у 1916 році, передбачає, що основні космічні події, такі як наднова або злиття чорних дір повинні виробляти гравітаційні хвилі that propagate through the Всесвіт. Earth should be awash with гравітаційні хвилі from all directions all the time but these are undetected because they become extremely weak by the time they reach earth. It took about a century to make a direct detection of gravitational ripples when in 2015 LIGO-Virgo team was successful in detecting гравітаційні хвилі produced due to merger of two чорних дір situated at a distance of 1.3 billion light-years from the Earth ⁽¹⁾. Це також означало, що виявлені брижі були носієм інформації про космічну подію, що сталася близько 1.3 мільярда років тому.  

З моменту першого виявлення в 2015 році велика кількість гравітаційні брижі have been recorded till date. Most of them were due to merger of two чорних дір, few were due to collision of two neutron stars ⁽²⁾. All detected гравітаційні хвилі so far were episodic, caused due to binary pair of чорних дір or neutron stars spiralling and merging or colliding with each other ⁽³⁾ і мали високу частоту, коротку довжину хвилі (в діапазоні мілісекунд).   

However, since there is possibility of large number of sources of гравітаційні хвилі в всесвіт hence many гравітаційні хвилі together from all over the всесвіт may be continuously passing through the earth all the time forming a background or noise. This should be continuous, random and of low frequency small wave. It is estimated that some part of it may even have originated from the Big Bang. Called Гравітаційне-wave Background (GWB), this has not been detected so far ⁽³⁾.  

But we may be on the verge of a breakthrough – the researchers at the North American Nanohertz Observatory for Гравітаційні хвилі (NANOGrav) have reported detection of a low-frequency signal that could be ‘Gravitational-wave Background (GWB) ^(4,5,6).  

Unlike LIGO-virgo team who detected гравітаційна хвиля from individual pairs of чорних дір, NANOGrav team have looked for persistent, noise like, ‘combined’ гравітаційна хвиля created over very long period of time by countless blackholes в всесвіт. The focus was on ‘very long wavelength’ гравітаційна хвиля at the other end of ‘gravitational wave spectrum’.

На відміну від світла та інших електромагнітних випромінювань, гравітаційні хвилі неможливо спостерігати безпосередньо в телескоп.  

Вибрала команда NANOGrav мілісекунда pulsars (MSPs) that rotate very rapidly with long term stability. There is steady pattern of light coming from these pulsers which should be altered by the gravitational wave. The idea was to observe and monitor an ensemble of ultra-stable millisecond pulsars (MSP) for correlated changes in the timing of the arrival of the signals at the Earth thus creating a “Galaxy-sized” gravitational-wave detector within our own галактика. The team created a pulsar timing array by studying 47 of such pulsars. The Arecibo Observatory and the Green Bank Telescope were the радіо telescopes used for the measurements.   

Набір даних, отриманий на даний момент, включає 47 MSP та понад 12.5 років спостережень. Виходячи з цього, неможливо остаточно довести пряме виявлення GWB, хоча виявлені низькочастотні сигнали дуже вказують на це. Можливо, наступним кроком було б включити більше пульсарів до масиву та вивчати їх протягом більш тривалого періоду часу для підвищення чутливості.  

To study the всесвіт, scientists were exclusively dependant on electromagnetic radiations like light, X-ray, радіо wave etc. Being completely unrelated to electromagnetic radiation, detection of gravitational in 2015 opened a new window of opportunity to scientists to study celestial bodies and understanding the всесвіт especially those celestial events which are invisible to electromagnetic astronomers. Further, unlike electromagnetic radiation, gravitational waves do not interact with matter hence travel virtually unimpeded carrying information about their origin and source free of any distortion.⁽³⁾

Detection of Gravitational-wave Background (GWB) would broaden the opportunity further. It may even become possible to detect the waves generated from Big Bang which may help us understand origin of всесвіт in a better way.

***

Список використаної літератури:  

1. Кастельвеккі Д. та Вітце А., 2016. Нарешті знайшли гравітаційні хвилі Ейнштейна. Новини природи 11 лютого 2016 р. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Кастельвеккі Д., 2020. Що 50 гравітаційно-хвильових подій розкривають про Всесвіт. Nature News опубліковано 30 жовтня 2020 р. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Джерела та типи гравітаційних хвиль. Доступний онлайн за адресою https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Доступ 12 січня 2021 року. 

4. Співпраця NANOGrav, 2021. NANOGrav знаходить можливі «перші підказки» низькочастотного фону гравітаційних хвиль. Доступний онлайн за адресою http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Доступ 12 січня 2021 року 

5. NANOGrav Collaboration 2021. Прес-брифінг – Пошук фону гравітаційних хвиль за 12.5 років даних NANOGrav. 11 січня 2021 р. Доступно онлайн за адресою http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. Набір даних NANOGrav 12.5 yr: Пошук ізотропного стохастичного фону гравітаційних хвиль. The Astrophysical Journal Letters, том 905, номер 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***