A gravitációs hullámok létezésére Einstein jóslatának megfelelően már a LIGO felfedezése előtt is számtalan erős érv utalt. Ezek közül az egyik legmeggyőzőbbek a kettős kozmikus rendszerek megfigyelési eredményei,
mint például a kettős neutron csillagok, vagy ahol a központi csillag mellett egy fehér törpe is található.
Ezek megfigyelései arra utaltak, hogy nagyon lassan, de a kettős objektumok egyre jobban közelednek egymáshoz.
A közeledés oka pedig a gravitációs hullámok formájában kibocsátott orbitális energiaveszteségben keresendő, így
a jelenség közvetett módon már szolgáltatott bizonyítékot a gravitációs hullámok létezésére.
Habár hatalmas energiamennyiség kibocsátásáról van szó, mégis a téridőre gyakorolt hatás annyira kicsiny, hogy napjainkig kellett várnunk az első sikeres detektálásra. Azonban a gravitációs hullámok sem egyformák, amplitúdóban (pontosabban a téridő karakterisztikus deformációjában) és frekvenciában alapvetően eltérnek egymástól.
Ezek a paraméterek jellemzőek a kibocsátó forrásra, így nyílik meg a lehetőség a tudósok előtt, hogy az azonosított jel segítségével, az általános relativitáselméletet is figyelembe véve, következtetéseket vonhassanak le a forrásra és a fizikai folyamataira vonatkozólag. Kinyílik az ablak egy új tudományterület, a gravitációs hullám asztronómia számára.
A gravitációs hullámok asztronómiai térképén tulajdonképpen három, frekvenciában jól elkülönülő tartományt találunk, amelyek detektálási mechanizmusai is teljesen eltérőek. A legnagyobb frekvenciájú hullámokat (100-10000 Hz nagyságrend környékén) a LIGO-hoz hasonló, földi obszervatóriumok segítségével tudjuk azonosítani.
Ez a „nagy” frekvenciatartomány jellemzően neutron csillag és fekete lyuk kettősöktől származó jeleket takar.
Mintegy öt nagyságrendet kell ugornunk a kisebb frekvenciák felé, hogy elérjük az űrbe telepítendő rendszerek (mint például az Európai Űrügynökség eLISA programja) tervezett frekvenciatartományát (0,0001-1 Hz).
További nagyjából öt nagyságrendet kell ismét ugornunk frekvenciában lefelé, hogy az extrém alacsony frekvenciás jelek mérésére kidolgozott NANOGrav méréstechnika frekvenciatartományába jussunk (0,0000000001-0,0000001 Hz). Érdemes belegondolni, hogy a LIGO-hoz képest mintegy tíz nagyságrenddel kisebb frekvenciájú gravitációs hullámok detektálásáról beszélünk. Ilyen alacsony frekvenciákon a
szupermasszív fekete lyuk kettősöktől, egyesülő galaxismagoktól származó jeleket várhatunk,
így számos, a kozmológia szempontjából kiemelten izgalmas terület kutatása kaphat új lendületet.
Összehasonlításképpen a LIGO által felfedezett fekete lyuk páros tömegéhez képest milliószor vagy milliárdszor nagyobb tömegű fekete lyukak egyesülése által generált gravitációs hullámokról van szó, amelyek a galaxisok középpontjában találhatóak. Vagyis tulajdonképpen a galaxisok egyesülési folyamatáról alkothatunk pontosabb képet a segítségükkel.
Ebben a kutatásban pedig alapvetően szükséges lesz az űrbe telepített gravitációs hullám obszervatóriumokra is, mivel ahogyan közelednek egymáshoz az egyesülő galaxisok magjában található fekete lyukak, úgy tolódnak el a nagyobb frekvenciák felé az általuk keltett gravitációs hullámok is, amíg el nem érik például az eLISA projekt tervezett mérési tartományát.
Valójában tehát egy ilyen összetett folyamat vizsgálatához
legalább kétféle gravitációs hullám obszervatórium felhasználása lenne szükséges.
A teljesség kedvéért azért hangsúlyozni kell, hogy amint haladunk az egyre kisebb frekvenciák tartománya felé, úgy növekszik a mérhető gravitációs hullám jelamplitúdója is.
Azonban a NANOGrav frekvenciatartományával korántsem értük el a gravitációs hullámok frekvenciatérképének szélét, hiszen további, nagyjából hat nagyságrendet kellene lefelé haladnunk a gravitációs hullámok frekvenciájában (ekkor már 0,0000000000000001 Hz körül járnánk), hogy eljussunk a legősibb folyamathoz, amely ilyen hullámokat generált.
Ez pedig nem más, mint a korai Univerzum úgynevezett inflációs felfúvódási szakasza, ahol az Univerzum strukturális szerkezetének kialakulása során keletkezett gravitációs hullámokat találjuk, amelyeket másnéven primordiális, avagy legősibb gravitációs hullámoknak is nevezünk. Nyomaikat pedig közvetetten a kozmikus háttérsugárzás apró ingadozásainak térképe máig megőrizte számunkra.
A NANOGrav program keretében extrém alacsony frekvenciás gravitációs hullámok detektálása a cél,
amelyhez a Tejútban található pulzárokat kívánják felhasználni, mint egyfajta GPS műholdakat.
Mit jelent mindez és miért éppen a pulzárokat? A Földünk napjánál jóval nagyobb tömegű csillagok halála után (ha nem elegendő a tömegük, hogy fekete lyuk keletkezzen belőlük) neutron csillag alakul ki, ezeknek egy speciális csoportját alkotják a pulzárok.
A pulzárok rendkívül extrém objektumok az Univerzumban.
Olyan elképesztően sűrű anyagból állnak, hogy az általuk keltett gravitációs mező mintegy tíz nagyságrenddel haladja meg a Földi gravitációt (képzeljük el, mi történne egy emberrel, ha megpróbálna sétálni a pulzár felszínén ilyen hihetetlenül erős gravitációs mezőben). A pulzár annyira erős mágneses mezőt gerjeszt a környezetében, amely elegendően erős ahhoz, hogy a Föld összes merevlemezén kitöröljön minden információt még akkor is, ha csak olyan közel merészkednénk hozzá, mint a Hold-Föld távolság!
Azonban a pulzár nem emiatt érdekes a gravitációs hullám detektálás szempontjából, hanem mert nagyon pontos (közel atomóra pontosságú és stabilitású) órajelként használható. Ugyanis a pulzárok rádióhullám nyalábokat bocsátanak ki, miközben nagy sebességgel forognak a tengelyük körül (a forgástengelyük és a mágneses tengelyük nem esik egybe). Minden egyes alkalommal, amikor a nyaláb a Föld felé irányul, egy jól mérhető rádióhullám jelet kapunk,- egyébként innen származik a pulzár elnevezés is.
A legpontosabb, ún. milliszekundumos pulzárok
mintegy százszor fordulnak meg a tengelyük körül egyetlen másodperc alatt.
A NANOGrav gravitációs hullám detektálása éppen ezekre a pulzárokra épül, és úgy használja őket nagyon pontos téridő meghatározásra, mint ahogyan a GPS műholdakat használjuk a mindennapokban.
Ebben az esetben azonban a milliszekundumos pulzárokat használjuk a Föld pozíciójában történő apró változások meghatározására, amelyet az áthaladó gravitációs hullámok okoznak. A pulzárok felhasználásával a gravitációs hullámok felfogására tulajdonképpen maga a Tejútrendszer fog egyfajta hatalmas detektorként működni a tudósok számára. A várakozások szerint 2020-ig szeretnék megvalósítani az első sikeres detektálást.
(A szerző asztrofizikus, az MTA kutatója)