Ανίχνευση ενός ισχυρού υποψηφίου σήματος που προέρχεται από το υπόβαθρο στοχαστικών βαρυτικών κυμάτων

Το European Pulsar Timing Array (EPTA) είναι μια επιστημονική κοινοπραξία που συγκεντρώνει ομάδες ευρωπαϊκών Ινστιτούτων αστρονομίας και ομάδων που ειδικεύονται στην ανάλυση δεδομένων και τη μοντελοποίηση σημάτων βαρυτικών κυμάτων. Ο Δρ. Ιωάννης Αντωνιάδης, ο οποίος πρόσφατα εκλέχθηκε ερευνητής στο ΙΑ-ΙΤΕ, είναι ειδικός στα πάλσαρ και επίσης ενεργό μέλος της κοινοπραξίας EPTA εδώ και αρκετά χρόνια. Πρόσφατα, το EPTA δημοσίευσε μια λεπτομερή ανάλυση ενός υποψήφιου σήματος για το από καιρό αναζητούμενο υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων. Αν και η προέλευση αυτού του  σήματος δεν μπορεί ακόμα να επιβεβαιωθεί με απόλυτη βεβαιότητα, η μελέτη αυτή αποτελεί το πιο σημαντικό μεχρι στιγμής βήμα στην προσπάθεια να αποκαλυφθούν τελικά τα βαρυτικά κύματα πολύ χαμηλών συχνότητων (της τάξης του ενός δισεκατομμυριοστού του Hertz). 

Σχηματική απεικόνιση από πάλσαρ γύρω από τη Γη πάνω σε υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων το οποίο δημιουργείται από  διπλά συστήματα υπερμεγεθών μελανών οπών. Τα σήματα από τα πάλσαρ που μετρώνται με ένα παγκόσμιο δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων επηρεάζονται από τα βαρυτικά κύματα και επιτρέπουν τη μελέτη της προέλευσης του υπόβαθρο (C. Knox)

Τα αποτελέσματα κατέστησαν δυνατά χάρη στα δεδομένα που συλλέχθηκαν επί 24 χρόνια με πέντε Ευρωπαϊκλά ραδιοτηλεσκόπια μεγάλου διαμετρήματος: Το ραδιοτηλεσκόπιο 100 μέτρων του Ινστιτούτου Ραδιοαστρονομίας Max Planck κοντά στο Effelsberg στη Γερμανία, το τηλεσκόπιο Lovell των 76 μέτρων στο Cheshire/Ηνωμένο Βασίλειο, το δεκαμετρικό ραδιοτηλεσκόπιο Nançay των 94 μέτρων στη Γαλλία, το ραδιοτηλεσκόπιο των 64 μέτρων στη Σαρδινία της Ιταλίας και οι 16 κεραίες του ραδιοτηλεσκοπίου Westerbork Synthesis Array στην Ολλανδία. 

Οι συστοιχίες χρονομέτρησης πάλσαρ (pulsar timing arrays η PTAs) είναι πολύ σταθερά περιστρεφόμενα πάλσαρ, που χρησιμοποιούνται ως απομακρυσμένα ρολόγια και ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων γαλαξιακής κλίμακας. Ειδικότερα, είναι ευαίσθητα σε βαρυτικά κύματα πολύ χαμηλών συχνοτήτων (της τάξεως του δισεκατομμυριοστού του Hertz). 

Η ανίχνευση τέτοιων σημάτων θα επεκτείνει το παράθυρο παρατήρησης βαρυτικών κυμάτων από τις υψηλές συχνότητες (εκατοντάδες Hertz) που παρατηρούνται σήμερα από τους επίγειους ανιχνευτές LIGO/Virgo/KAGRA. Ενώ τα επίγεια τηλεσκόπια ανιχνεύουν βραχείας διάρκειας συγκρούσεις αστρικών μαύρων οπών και αστέρων νετρονίων, οι συστοιχίες χρονομέτρησης πάλσαρ μπορούν να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα όπως αυτά που εκπέμπονται από συστήματα διαδίκων υπερμεγέθων μαύρων οπών που φιλοξενούνται στα κέντρα των γαλαξιών. 

Το EPTA μπορεί να μετρήσει μικρές διακυμάνσεις στους χρόνους άφιξης του ραδιοφωνικού σήματος των πάλσαρ στη Γη, που προκαλούνται από την παραμόρφωση του χωροχρόνου λόγω ενός διερχόμενου βαρυτικού κύματος. Στην πράξη, αυτές οι παραμορφώσεις εκδηλώνονται ως πηγές ενός θορύβου πολύ χαμηλής συχνότητας στη σειρά των παρατηρούμενων χρόνων άφιξης των παλμών, ένας θόρυβος που μοιράζονται όλοι οι πάλσαρ μιας συστοιχίας PTA. Ωστόσο, το πλάτος αυτού του θορύβου είναι απίστευτα μικροσκοπικό (εκτιμάται ότι είναι δεκάδες έως μερικές εκατοντάδες δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου). 

Η πρόσφατη ανάλυση του European Pulsar Timing Array  βρήκε ένα σαφές υποψήφιο σήμα για ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων με φασματικές του ιδιότητες (ο τρόπος με τον οποίο το πλάτος του παρατηρούμενου θορύβου μεταβάλλεται με τη συχνότητά του) που συμφωνούν με τις προβλέψεις για ένα σήμα βαρυτικών κυμάτων. Το European Pulsar Timing Array είχε στο παρελθόν βρεί για πρώτη φορά ενδείξεις για αυτό το σήμα σε δεδομένα που είχε συλλέξει μέχρι το 2015, αλλά τα αποτελέσματα εκείνα είχαν μεγαλές στατιστικές αβεβαιότητες. Τα νέα δεδομένα επιβεβαιώνουν τώρα σαφώς την παρουσία αυτού του σήματος, καθιστώντας το υποψήφιο για υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων.

Η Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν προβλέπει μια πολύ συγκεκριμένη σχέση μεταξύ των παραμορφώσεων του χωροχρόνου που υφίστανται τα ραδιοσήματα που προέρχονται από πάλσαρ που βρίσκονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις στον ουρανό. Οι επιστήμονες ονομάζουν αυτή τη χωρική συσχέτιση του σήματος ή καμπύλη Hellings και Downs. Η ανίχνευσή της - η οποία δεν ήταν δυνατή σε αυτή τη μελέτη - θα προσδιορίσει με μοναδικό τρόπο τον παρατηρούμενο θόρυβο ως οφειλόμενο σε υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων.

Article: “Common-red-signal analysis with 24-yr high-precision timing of the European Pulsar Timing Array: inferences in the stochastic gravitational-wave background search” 2021; The EPTA collaboration (incl. J. Antoniadis), MNRAS, 508, 4 , 4970 - October 2021