Zachytíme šepot nízkofrekvenčních gravitačních vln. Kredit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF).

Projektu NANOGrav, čili North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, se teď povedlo ustanovit nová astrofyzikální omezení pro hledání gravitačních vln s velmi nízkou frekvencí. Nebylo to vůbec snadné. Mezinárodní tým zahrnující šest desítek vědců musel po devět let intenzivně sledovat vybrané milisekundové pulsary s výkonnými radioteleskopy Green Bank a Arecibo.

Nedávné ulovení gravitačních vln detektorem aLIGO, které mnozí ještě máme v živé paměti, vůbec poprvé potvrdilo, že gravitační vlny, tedy vlnění samotného časoprostoru, doopravdy existují. A že má smysl je hledat. Vlny zachycené na aLIGO velmi pravděpodobně pocházejí ze splynutí dvou černých děr hvězdné velikosti. Jenže vesmír by měl být plný velmi rozmanitých gravitačních vln. Badatelé sdružení v projektu NANOGrav strávili téměř desetiletí pátráním po gravitačních vlnách o velice nízkých frekvencích, které by měly vyzařovat těsné dvojice galaktických supermasivních černých děr, mnoho milionkrát hmotnější, nežli černé díry hvězdné velikosti.

Projekt NANOGrav.

Asi nepřevapí, že nízkofrekvenční gravitační vlny galaktického původu je nesmírně obtížné detekovat. Jejich vlnová délka se měří na světelné roky. Teorie praví, že tyto galaktické gravitační vlny brázdí vesmírem a vytvářejí konstantní šum nízkofrekvenčních gravitačních vln, který bychom měli být schopni zachytit i na Zemi. Astrofyzici tomu říkají stochastické pozadí gravitačních vln (stochastic gravitational wave background). Jejich detekce vyžaduje speciální postupy, v nichž hrají významnou roli právě milisekundové pulsary.

Pulsary jsou takové vesmírné radiomajáky, které rotují a blikají na nás paprskem rádiového záření. Nejrychlejší pulsary se točí tak rychle, že vyšlou signál jednou za pár milisekund. Tyhle milisekundové pulsary vlastně představují úplně nejpřesnější hodinky v přírodě a jsou pro hledání signálu gravitačních vln ideální. Podle našich představ bychom právě díky milisekundovým pulsarům měli být schopni zachytit gravitační vlny o velmi nízké frekvenci při jejich vlnění skrz vesmír.

Jak funguje NANOGrav? Kredit: David Champion / NANOGrav.

K čemu vlastně je pátrání po nízkofrekvenčních gravitačních vlnách? Astrofyzici mají modely, s nimiž předpovídají chování galaxií. Například to, jak často galaxie splývají a vytvářejí těsné dvojice supermasivních černých děr. Z těchto modelů lze odvodit, jak by měl vypadat onen šum nízkofrekvenčních gravitačních vln. Už jenom tím, že zužujeme oblast pátrání po těchto galaktických gravitačních vlnách, vlastně vylepšujeme modely popisující splývání a vývoj galaxií.

Spektrum gravitačních vln. Kredit: NANOGrav.

Projekt NANOGrav v současnosti monitoruje 54 pulsarů. Není ale jediný. V současnosti fungují celkem tři projekty, které sbírají data z pozorování souboru milisekundových pulsarů (pulsar timing array). Kromě projektu NANOGrav to je ještě projekt Parkes Pulsar Timing Array, který využívá pozorování australského radioteleskopu Parkes, a projekt European Pulsar Timing Array(EPTA), který zase sbírá data z největších evropských radioteleskopů. Všechny tři projekty jsou navíc ještě sdružené do „projektu projektů“ International Pulsar Timing Array (IPTA).

Nové údaje projektu NANOGrav mají význam i pro hledání kosmických strun (cosmic strings), hypotetických a hodně bizarních objektů, které by mohly pocházet z nejranějšího vesmíru. Pokud kosmické struny existují, tak by to měly být topologické defekty extrémní povahy, které by vznikly při fázovém přechodu vakua ve spojení s fenoménem narušení symetrie. Kosmické struny by byly doopravdy extrémní záležitost. Představte si nesmírně hustou trubici o průměru protonu, která je buď uzavřená nebo nekonečná. Kosmické struny by se měly vyzařovat v podobě gravitačních vln a tím souvisejí s projektem NANOGrav.
NANOGrav, ani žádný další projekt pozorování milisekundových pulsarů sice zatím nízkofrekvenční gravitační vlny nenašel, vědci jsou ale ve střehu a doufají, že uspějí. Detekce gravitačních vln o vysokých frekvencích na aLIGO jim nalila do žil optimismus a naději. Tým NANOGrav věří, že mumlání nízkofrekvenčních gravitačních vln už mají téměř na dosah.

Video:  NANOGrav Animation of Gravitational Waves

NANOGrav Animation of Gravitational Waves from NRAO Outreach on Vimeo.

Welcome to NANOGrav


Literatura
National Radio Astronomy Observatory 5. 4. 2016, arXiv:1508.03024, Wikipedia (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, Pulsar timing array, Cosmic string).