Astronomi so več kot deset let opazovali radijsko utripanje pulzarjev. Sedaj je analiza pokazala, da se v utripanju skriva zapis gravitacijskih valov, ki so ga najverjetneje izsevali dvojni sistemi supermasivnih črnih lukenj. Gre za prvo detekcijo tako imenovanih nizkofrekvenčnih gravitacijskih valov.
Pred več kot stoletjem je Albert Einstein napovedal obstoj gravitacijskih valov. Valovanje v tkanini prostor-časa so znanstveniki leta 2015 prvič detektirali z detektorjema LIGO v ZDA. V tem primeru je šlo za trke in posledična zlitja dveh kompaktnih objektov, kot so črne luknje (z masami do nekaj deset mas Sonca) in nevtronske zvezde. Do sedaj so detektorja LIGO in evropski Virgo detektirali gravitacijske valove okoli 100 dogodkov, med katerimi prevladujejo trki dveh črnih lukenj.
Zemeljski detektorji lahko detektirajo le visokofrekvenčne gravitacijske valove s frekvenco nekaj 1000 Hz. A v vesolju naj bi bili tudi nizkofrekvenčni gravitacijski valovi s frekvenco v območju nanoherza. Ti valovi naj bi bili vsepovsod, zato znanstveniki pravijo, da predstavljajo ozadje gravitacijskih valov.
Kako bi lahko detektirali takšne valove? Tako, da za detektor uporabimo kar našo Galaksijo. Oziroma, bolj natančno, poseben razred nevtronskih zved, imenovanih pulzarji. Pulzarji so hitro vrteče se nevtronske zvezde z močnimi magnetnimi polji. Sevajo radijsko svetlobo, ampak ne v vse smeri, temveč usmerjeno v dva ozka stožca. Ko stožec med vrtenjem posveti v našo smer, vidimo signal. Zaradi vrtenja signal utripa, podobno kot pri svetilniku.
Posebnost pulzarjev je, da je njihovo utripanje zelo konstantno. Perioda utripanja se v desetih letih praktično ne spremeni ali pa se spremeni izredno malo. Če pa se v tem delu vesolja pojavi gravitacijski val, bo v utripanje prinesel manjšo spremembo. Pri posameznem pulzarju in v primeru zgolj enega gravitacijskega vala je to nemogoče izmeriti. A vesolje je polno gravitacijskih valov (ki imajo različne frekvence), zato signal vseeno ni zanemarljiv. Obenem so raziskovalci opazovali več deset pulzarjev naenkrat. Primerjanje utripanja različnih pulzarjev lahko razkrije prisotnost gravitacijskih valov.
Znanstveniki v okviru projekta NANOGrav opazujejo večje število pulzarjev ter v njihovem utripanju iščejo nepravilnosti. Avtor: NANOGrav / T. Klein
In res je več skupin po svetu neodvisno potrdilo odkritje nizkofrekvenčnih gravitacijskih valov. Skupini NANOGrav v ZDA ter evropska EPTA ter opazovanja s teleskopom FAST na Kitajskem in Parkerjevem teleskopu v Avstraliji so vsi po vrsti v svojih podatkih opazili signal gravitacijskega ozadja.
Signal je zaenkrat še šibek in za dokončno potrditev detekcije bo potrebno še več opazovanj. Najprej pa bodo raziskovalci poskušali združiti opazovanja vseh skupin, kar bi lahko že bistveno izboljšalo rezultate.
Potrebno se je zavedati, da je iskanje gravitacijskega ozadja v utripanju pulzarjev izjemno zahtevna naloga. Tudi če pozabimo na vpliv valov, ko pogledamo zares natančno, signal pulzarjev ni povsem nespremenljiv. Spreminja se zaradi gibanja Zemlje, gibanja pulzarja okoli spremljevalne zvezde (večina pulzarjev je del dvojnih sistemov), gibanja tako Osončja kot pulzarjev v Galaksiji, nagaja tudi medzvezdna snov.
Signal gravitacijskih valov je manjši od vseh opisanih napak, zato je potrebna statistična obravnava, torej opazovanje večjega števila pulzarjev in primerjava njihovega utripanja. Zaenkrat tudi ni mogoče videti posameznega vira gravitacijskih valov; vse kar znanstveniki lahko rečejo zaenkrat je, da so opažen signal gravitacijskih valov verjetno izsevale supermasivne črne luknje, ki se gibljejo ena okoli druge v drugih galaksijah. A z dodatnimi opazovanji bi se to lahko spremenilo. Je povsem mogoče, da je za večino signala odgovornih le nekaj bližnjih dvojnih sistemov in te bo lažje poiskati.
Že sedaj pa so raziskovalci našli najboljši dokaz za obstoj dvojnih sistemov supermasivnih črnih lukenj. Rezultat je pomemben, saj ena izmed bolj popularnih teorij pravi, da črne luknje rastejo z medsebojnimi trki.
Naslovna slika: Ilustracija dvojnega sistema supermasivnih črnih lukenj. Avtor: NASA's Goddard Space Flight Center / Scott Noble