Svaka supernova, svako spajanje neutronskih zvezda ili crnih rupa, čak i brzo rotirajuće usamljene neutronske zvezde, može ili bi trebalo da bude izvor gravitacionih talasa.
U slučaju da je brza inflacija svemira nakon Velikog praska pre 13,8 milijardi godina trebalo da proizvede sopstvenu kaskadu gravitacionih talasa.
Poput kamena bačenog u jezerce, ovi masivni događaji bi trebalo da pošalju talase koji odjekuju kroz samu tkaninu prostor-vremena – slaba proširenja i kontrakcije prostora koja bi nam mogla biti uočljiva kao neslaganja u onome što bi trebalo da budu tačno tempirani signali.
Zajedno, ova mešavina signala se kombinuje da bi formirala nasumično ili ‘stohastično’ zujanje poznato kao pozadina gravitacionog talasa, i to je jedna od možda najtraženijih detekcija u astronomiji gravitacionih talasa.
Smatra se – baš kao što je otkriće kosmičke mikrotalasne pozadine pre toga (i nastavlja da čini) – da će pronalaženje pozadine gravitacionog talasa širom otvoriti naše razumevanje Univerzuma i njegove evolucije.
„Otkrivanje stohastičke pozadine gravitacionog zračenja može pružiti obilje informacija o astrofizičkim izvornim populacijama i procesima u vrlo ranom Univerzumu, koji nisu dostupni na bilo koji drugi način“, objašnjava teorijski fizičar Suzan Skot sa Australijskog nacionalnog univerziteta i ARC centra izvrsnosti za otkrivanje gravitacionih talasa.
„Na primer, elektromagnetno zračenje ne daje sliku Univerzuma ranije od vremena poslednjeg rasejanja (oko 400.000 godina nakon Velikog praska). Gravitacioni talasi, međutim, mogu nam dati informacije sve do početka inflacije. , samo ~10 -32 sekunde nakon Velikog praska.“
Da bismo razumeli važnost pozadine gravitacionog talasa, trebalo bi da popričamo malo o još jednom reliktu Velikog praska: kosmičkoj mikrotalasnoj pozadini ili CMB.
Nekoliko trenutaka nakon što je naš Univerzum počeo da otkucava i prostor počeo da se hladi, pena koja je mehurila koja je bila sve zgusnula se u neprozirnu supu subatomskih čestica u obliku jonizovane plazme.
Svako zračenje koje se pojavilo sa njim bilo je rasejano, sprečavajući ga da napravi veliku udaljenost. Tek kada su se ove subatomske čestice rekombinovale u atome, u eri poznatoj kao Epoha rekombinacije, svetlost je mogla slobodno da se kreće kroz Univerzum i dalje kroz eone.
Prvi bljesak svetlosti probio je svemir oko 380.000 godina nakon Velikog praska, i, kako je Univerzum rastao i rastao u narednim milijardama godina, ova svetlost se povukla u svaki ugao. I danas je svuda oko nas. Ovo zračenje je izuzetno slabo, ali se može detektovati, posebno u mikrotalasnim talasnim dužinama. Ovo je CMB, prvo svetlo u Univerzumu.
Nepravilnosti u ovom svetlu, koje se nazivaju anizotropije, uzrokovane su malim temperaturnim fluktuacijama koje predstavlja to prvo svetlo. Teško je preceniti koliko je bilo fenomenalno njegovo otkriće: CMB je jedna od jedinih sondi koje imamo o stanju ranog Univerzuma.
Otkriće pozadine gravitacionog talasa bila bi veličanstvena replikacija ovog dostignuća.
„Očekujemo da će detekcija i analiza pozadine gravitacionog talasa revolucionisati naše razumevanje Univerzuma“, kaže Skot, „na isti način na koji je uvedeno posmatranjem kosmičke mikrotalasne pozadine i njenih anizotropija.
Prva detekcija gravitacionih talasa napravljena je pre kratkog vremena, 2015. godine.
Dve crne rupe koje su se sudarile pre otprilike 1,4 milijarde godina poslale su talase koji se šire brzinom svetlosti; na Zemlji su ove ekspanzije i kontrakcije prostor-vremena veoma slabo pokrenule instrument dizajniran i rafiniran decenijama, čekajući da otkrije upravo takav događaj.
Bila je to monumentalna detekcija iz nekoliko razloga. To nam je dalo direktnu potvrdu, po prvi put, postojanja crnih rupa.
To je potvrdilo predviđanje Opšte teorije relativnosti 100 godina ranije da su gravitacioni talasi stvarni.
A to je značilo da će ovaj alat, interferometar gravitacionih talasa, na kojem su naučnici radili godinama, revolucionisati naše razumevanje crnih rupa.
I ima. Interferometri LIGO i Virgo su do danas otkrili skoro 100 događaja gravitacionih talasa: onih dovoljno jakih da proizvedu označen signal u podacima.
Ovi interferometri koriste lasere koji sijaju niz specijalne tunele duge nekoliko kilometara. Na ove lasere utiče rastezanje i stiskanje prostor-vremena koje stvaraju gravitacioni talasi, stvarajući interferencijski obrazac iz kojeg naučnici mogu zaključiti svojstva kompaktnih objekata koji generišu signale.
Ali pozadina gravitacionog talasa je potpuno druga zver.
„Astrofizičku pozadinu proizvodi zbunjena buka mnogih slabih, nezavisnih i nerazjašnjenih astrofizičkih izvora“, kaže Skot.
„Naši detektori gravitacionih talasa na zemlji LIGO i Virgo su već otkrili gravitacione talase iz desetina pojedinačnih spajanja para crnih rupa, ali se očekuje da će astrofizička pozadina spajanja binarnih crnih rupa zvezdane mase biti ključni izvor GVB za ove trenutne generacije detektora. Znamo da postoji veliki broj ovih spajanja koja se ne mogu rešiti pojedinačno, a zajedno proizvode zujanje nasumične buke u detektorima.“
Brzina kojom se binarne crne rupe sudaraju u Univerzumu je nepoznata, ali brzina kojom možemo da ih otkrijemo daje nam osnovnu liniju na osnovu koje možemo da procenimo.
Naučnici veruju da je to između oko jednog spajanja u minuti i nekoliko po satu, pri čemu detektivni signal svakog traje samo delić sekunde. Ovi pojedinačni, nasumični signali bi verovatno bili preslabi da bi se otkrili, ali bi se kombinovali da bi stvorili statičnu pozadinu; astrofizičari to upoređuju sa zvukom pucketanja kokica .
Ovo bi bio izvor signala stohastičkog gravitacionog talasa koji bismo mogli očekivati da pronađemo sa instrumentima kao što su interferometri LIGO i Virgo. Ovi instrumenti su trenutno u fazi održavanja i pripreme, a pridružiće im se i treća opservatorija, KAGRA u Japanu, u novom posmatranju u martu 2023. Otkrivanje GVB kokica ovom saradnjom nije isključeno.
Međutim, ovo nisu jedini alati u kompletu za gravitacione talase. I drugi alati će moći da otkriju druge izvore pozadine gravitacionog talasa. Jedan takav alat, koji je udaljen još 15 godina, je svemirska antena za laserski interferometar (LISA), koja bi trebalo da bude lansirana 2037.
Zasnovan je na istoj tehnologiji kao LIGO i Virgo, ali sa „rukama“ dugim 2,5 miliona kilometara. Radiće u režimu mnogo niže frekvencije nego LIGO i Virgo i stoga će detektovati različite vrste događaja gravitacionih talasa.
„GVB nije uvek sličan kokicama“, kaže Skot.
„Takođe se može sastojati od pojedinačnih determinističkih signala koji se preklapaju u vremenu i stvaraju šum konfuzije, sličan pozadinskim razgovorima na zabavi. Primer buke konfuzije je gravitaciono zračenje koje proizvodi galaktička populacija kompaktnih binarnih belog patuljaka. Ovo će biti važan izvor buke konfuzije za LISA-u. U ovom slučaju, stohastički signal je toliko jak da postaje prvi plan, delujući kao dodatni izvor buke kada pokušava da otkrije druge slabe signale gravitacionih talasa u istom frekventnom opsegu.“
LISA bi teoretski takođe mogla da otkrije kosmološke izvore pozadine gravitacionog talasa, kao što je kosmička inflacija neposredno nakon Velikog praska ili kosmičke žice – teorijske pukotine u Univerzumu koje su se mogle formirati na kraju inflacije, gubeći energiju preko gravitacionih talasa.
Postoji i jedna ogromna opservatorija gravitacionih talasa galaktičke skale koju su naučnici proučavali da bi potražili nagoveštaje pozadine gravitacionog talasa: nizovi za merenje vremena pulsara. Pulsari su vrsta neutronske zvezde, ostaci nekada masivnih zvezda koje su umrle u spektakularnoj supernovi, ostavljajući za sobom samo gusto jezgro.
Pulsari se rotiraju na takav način da snopovi radio-emisije sa njihovih polova prolaze pored Zemlje, kao kosmički svetionik; neki od njih to rade u neverovatno preciznim intervalima, što je korisno za niz aplikacija, kao što je navigacija.
Ali istezanje i stiskanje prostor-vremena bi, teoretski, trebalo da proizvede sitne nepravilnosti u vremenu bljeskova pulsara.
Jedan pulsar koji pokazuje blage nedoslednosti u vremenu možda ne znači mnogo, ali ako je gomila pulsara pokazala korelisane vremenske nedoslednosti, to bi moglo ukazivati na gravitacione talase proizvedene inspirativnim supermasivnim crnim rupama.
Naučnici su pronašli primamljive nagoveštaje ovog izvora pozadine gravitacionog talasa u nizovima za merenje vremena pulsara, ali još uvek nemamo dovoljno podataka da utvrdimo da li je to slučaj.
Stojimo tako primamljivo blizu detekcije pozadine gravitacionog talasa: astrofizičke pozadine, koja otkriva ponašanje crnih rupa širom Univerzuma; i kosmološka pozadina – kvantne fluktuacije koje se vide u CMB, inflacija, sam Veliki prasak.
Ovo je, kaže Skot, beli kit: onaj koji ćemo videti tek nakon teškog rada na razdvajanju pozadine u diskretne izvore koji čine bučnu celinu.
„Dok se radujemo obilju informacija koje će doći iz detekcije astrofizički proizvedene pozadine, posmatranje gravitacionih talasa iz Velikog praska je zaista krajnji cilj astronomije gravitacionih talasa“, kaže ona.
„Uklanjanjem ove binarne crne rupe u prednjem planu, predloženi detektori treće generacije zasnovani na zemlji, kao što su Ajnštajn teleskop i kosmički eksplorer, mogli bi da budu osetljivi na kosmološki proizvedenu pozadinu sa 5 godina posmatranja, čime bi ušli u oblast gde važna kosmološka posmatranja mogu biti.“
