Emmanuel Fonseca z WVU jest pionierem w wykrywaniu pulsarów radiowych fale grawitacyjnektórego celem jest odkrycie wglądu w gwiazdy neutronowe i strukturę wszechświata. Jego praca, wspierana przez znaczne fundusze NSF, łączy tradycyjną astronomię z zaawansowanymi technologiami.
Badacz z Centrum Fal Grawitacyjnych i Kosmologii Uniwersytetu Zachodniej Wirginii odkrywa niewidzialny wszechświat promieniowania grawitacyjnego zniekształcającego kontinuum czasoprzestrzenne.
Emmanuel Fonseca, adiunkt astronomii w WVU Eberly College of Arts and Sciences, wykorzystuje precyzyjnie synchronizowane sygnały z gwiazd zwane „pulsarami radiowymi” do wykrywania fal grawitacyjnych. Fale te, generowane, gdy masywne obiekty, takie jak gwiazdy czy czarne dziury, nabierają prędkości, zawierają informacje o zjawiskach i obiektach w odległych galaktykach i mogą ujawnić, jak materia zachowuje się wewnątrz gwiazd neutronowych.
Badanie jest wspierane przez grant w wysokości 416 000 dolarów od National Science Foundation.
Przełomy w badaniach fal grawitacyjnych
„Fale grawitacyjne przenikają wszystko – Układ Słoneczny, Ziemię, nas – ale dopiero w ciągu ostatnich pięciu do ośmiu lat byliśmy w stanie je wykryć” – powiedział Fonseca. „Są wyjątkowym oknem na wszechświat, odmiennym od promieniowania elektromagnetycznego, takiego jak światło, promieniowanie rentgenowskie i ultrafiolet. Te formy promieniowania są generowane przez naładowane cząstki, podczas gdy fale grawitacyjne są powodowane przez obiekty przyspieszające w przestrzeni i zaburzające czasoprzestrzeń.”
Według Fonseki „wszystkie supermasywne czarne dziury w układach podwójnych we wszechświecie rzucają na nas fale. Sumaryczny wpływ tych sygnałów to chwiejny, pozornie losowy wzór zwany „tłem fali grawitacyjnej”. W miarę jak badania te poprawią naszą wrażliwość na to tło, staniemy się bardziej wrażliwi na fale grawitacyjne emanujące z pobliskich galaktyk. Kiedy już znajdziemy lokalne źródła fal grawitacyjnych, będziemy mogli skierować w ich stronę teleskopy elektromagnetyczne i zacząć nadawać sens temu zjawisku, a to będzie naprawdę zabawne”.
Pionierskie techniki wykrywania
Einstein stworzył teorię fal grawitacyjnych w 1916 roku, ale dopiero wiosną ubiegłego roku międzynarodowa współpraca badawcza NANOGrav ogłosiła jednoznaczne dowody na ich istnienie.
„NANOGrav to zespół badaczy, w tym ja, który wykorzystywał dane z Teleskopu Green Bank w hrabstwie Pocahontas do wykrywania fal grawitacyjnych” – powiedział Fonseca. „Przez lata ciężko pracowaliśmy, aby znaleźć dowody na istnienie fal grawitacyjnych. Teraz nagle nie tylko je wykrywamy, ale także nadajemy im sens”.
Integracja danych w celu lepszego wykrywania
Badanie połączy dane Green Bank z danymi z radioteleskopu CHIME w Kanadzie, którego budowę pomógł Fonseca. Obserwatoria rejestrują podobne informacje w różnych odstępach czasu i częstotliwości.
„Połączenie danych oznacza, że możemy uzyskać pełne pokrycie każdej fali. „Widziemy” z jednego dołka, ponad szczytem i w dół do następnego dołka” – powiedział.
Fale grawitacyjne mogą rozciągać się przez galaktyki. Występują w widmie niskich częstotliwości, więc pomiędzy zarejestrowaniem przez radioteleskop pierwszego a drugiego szczytu fali grawitacyjnej może upłynąć rok lub dwa. Gdy fale oscylują, marszczą kosmos, nieznacznie przemieszczając się w czasie i przestrzeni wszystko, co napotkają.
Wykorzystanie pulsarów jako detektorów kosmicznych
Pulsary – pary wirujących gwiazd neutronowych – pozwalają Fonsece wykrywać fale grawitacyjne. Pulsary emitują impulsy radiowe, które docierają do Ziemi w precyzyjnych i przewidywalnych odstępach czasu.
„Używamy pulsarów jako detektorów, latarni morskich w oddali” – powiedział Fonseca. „Kiedy widzimy skorelowane odchylenia wpływające na synchronizację szeregu pulsarów, jest to znak, że fale grawitacyjne wpływają na Ziemię. Odchylenia powstają, ponieważ przeszło przez nas promieniowanie grawitacyjne, kurcząc się i ściskając nasze obserwatorium i instrumenty”.
Postępy w pomiarach astronomicznych
Używanie pulsarów jako detektorów wymaga jak największej wiedzy na temat samych pulsarów i zjawisk takich jak „scyntylacja”, czyli migotanie gwiazd, które wpływają na pulsarsygnał na swojej drodze w stronę Ziemi.
„Scyntylacja wydaje się przypadkowa i astronomowie od dawna uważali ją za uciążliwą” – powiedział Fonseca. „Ale uważam, że koduje informacje, które mogą poprawić wykrywanie fal grawitacyjnych”.
Spostrzeżenia z mas gwiazd neutronowych
Fonseca podkreślił integrację danych pulsarów Green Bank i CHIME, co oznacza, że astronomowie dowiedzą się nie tylko o falach grawitacyjnych – będą także w stanie obliczyć masy gwiazd neutronowych.
„Obliczanie masy jest w astronomii rzadką i trudną rzeczą. Nie mamy wagi do pomiaru masy gwiazd. Ale teraz dysponujemy środkami, które umożliwiają wydobycie z tych sygnałów bardzo precyzyjnych informacji grawitacyjnych, które pozwalają nam zmierzyć masę gwiazd neutronowych, co z kolei może nam powiedzieć, co dzieje się w ich wnętrzu” – powiedział.
Pulsar jest obiektem obrotowym gwiazda neutronowaa Fonseca nazwał gwiazdę neutronową „najbardziej ekstremalnym środowiskiem, jakie możemy obecnie obserwować”. To środowisko podobne do czarna dziuraale ponieważ jego grawitacja nie jest tak ekstremalna, technicznie rzecz biorąc, możemy zrozumieć, co dzieje się w ich wnętrzach.
„J. Robert Oppenheimer jest najbardziej znany jako „ojciec bomby atomowej”, ale był także jedną z pierwszych osób, które zadawały pytania dotyczące zachowania gwiazd neutronowych, na przykład tego, jak fizyka jądrowa będzie działać przy tak ekstremalnej grawitacji lub jakie rodzaje materii może tam istnieć. To było prawie sto lat temu i dopiero w ciągu ostatnich pięciu lat zaczęliśmy znajdować intrygujące wskazówki dzięki danym NANOGrav.”
Z Fonseca współpracują absolwenci WVU, Swarali Patil z Pune w Indiach i Matthew Bartnik z Chicago.
