В последние годы прямое обнаружение гравитационных волн — деформаций пространства-времени, вызванных движением гигантских масс, таких как пара черных дыр или быстро вращающиеся нейтронные звезды, готовые к слиянию, — открыло новую главу в астрономии, известную как многоканальная астрономия.
Их поиск, обнаружение и физическая характеристика источников-кандидатов на излучение гравитационных волн в основном осуществляется с помощью наземных интерферометров, линейных детекторов, таких как LIGO в Америке и Virgo в Италии. Однако возможности этих линейных детекторов по точному определению направления происхождения гравитационной волны в настоящее время ограничены.
Поэтому исследовательская группа под руководством INAF (Национальный институт астрофизики) предложила альтернативный экспериментальный подход: использовать в качестве детекторов гравитационных волн звезды и, в частности, изменения их углового расстояния, вызванные возмущением пространства-времени, т.е. астрометрию.
Астрометрическое наблюдение гравитационных волн
До этого исследования, проведенного под руководством Мариатерезы Кроста из INAF Турин, обнаружение гравитационных волн с помощью астрометрии уже изучалось другими авторами, которые рассматривали экстра-смещения в одном направлении света, вызванные прохождением гравитационной волны.
Однако такой подход имеет серьезные ограничения.
Чтобы преодолеть эти ограничения, Кроста и его команда разработали идею астрометрической антенны, которая использует все преимущества следствий общей теории относительности для дифференциальной астрометрии. Идея возникла на основе модели общей относительности для микроаркосекундных астрометрических измерений спутника ЕКА Gaia — миссии, которая измерила и продолжает измерять точное положение миллиардов звезд в Млечном Пути.
Исследователи предлагают астрометрическую антенну, которая напрямую использует угол между близкой парой двух оптически разрешенных (т.е. различимых) точечных источников. В самом деле, угловое возмущение, вызванное гравитационной волной, прямо пропорционально пространственно-временному искажению, связанному с ней, и обратно пропорционально углу (который должен быть разрешен) между парой звезд.
Поэтому углы между парами соседних точечных источников используются как естественные «руки» для наблюдения за тонкими изменениями углового расстояния, вызванными прохождением гравитационной волны.
После разработки антенны команда провела несколько первоначальных симуляций и лабораторных испытаний, чтобы продемонстрировать ее осуществимость, уделяя особое внимание различным техническим аспектам, таким как конструкция телескопа с мультиплексированием (схематическое изображение следует ниже), точность центрирования звездных изображений на цифровых детекторах и пределы разрешения.
Как этот метод может изменить ситуацию?
Идея астрометрического наблюдения гравитационных волн может стать мощным инструментом, позволяющим максимально повысить эффективность обнаружения гравитационных волн различной интенсивности за счет полного использования имеющегося оптического разрешения.
Фактически, астрометрическое обнаружение гравитационных волн позволит измерять направление прихода гравитационных сигналов одновременно с амплитудой и с беспрецедентной точностью.
Кроме того, эта концепция представляет собой высокоэффективный инструмент: она не только позволит проводить независимую и дополнительную проверку других методов, но и даст возможность обнаруживать гравитационные волны на частотах, для которых в настоящее время не планируется использовать другие детекторы.
«Мы готовим цифровую версию нашего нового принципа астрометрических наблюдений за гравитационными волнами, чтобы использовать астрометрические измерения Gaia, накопленные за десять с лишним лет наблюдений«, — объясняет Кроста. «Чтобы сравнить и увидеть совпадения для гравитационных волн с периодами в несколько лет«.
На чем мы остановились?
Прежде чем пытаться извлечь сигналы гравитационных волн из астрометрических данных, ученые подчеркивают, как важно завершить процесс сокращения данных, чтобы получить детальное представление об отношении и поведении инструментов. Это связано с тем, что для измерения изменений в направлении источника требуется точное знание абсолютной точки отсчета, чего трудно добиться, например, с помощью спутника.
Кроме того, для более реалистичных сценариев, таких как более сложные формы гравитационных волн и реалистичные уровни шума, требуется еще более детальное и точное моделирование.
Однако потенциал дифференциальных астрометрических наблюдений гравитационных волн очень высок. Наличие тесных звездных пар открывает возможность использования большого числа конфигураций, а значит, и наблюдения гравитационных волн с любого направления. Это открывает возможность углубленной статистики для выявления свойств источника гравитационных волн, а также помогает по-настоящему дополнить и сделать независимыми все усилия, направленные на многоволновые поиски гравитационных волн.
С исследованием, опубликованным в журнале Scientific Reports, можно ознакомиться .