Vào tháng 2 năm 2016, các nhà khoa học làm việc cho Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) đã thực hiện lần đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn. Kể từ thời điểm đó, nhiều phát hiện đã diễn ra, nhờ một phần lớn vào sự cải tiến về công cụ và mức độ hợp tác lớn hơn giữa các đài quan sát. Nhìn về phía trước, có thể các nhiệm vụ không được thiết kế cho mục đích này cũng có thể là Moon moonlight như máy dò sóng hấp dẫn.
Ví dụ, tàu vũ trụ Gaia - đang bận rộn tạo ra bản đồ 3D chi tiết nhất của Dải Ngân hà - cũng có thể là công cụ khi nghiên cứu về sóng hấp dẫn. Đó là những gì một nhóm các nhà thiên văn học từ Đại học Cambridge gần đây đã tuyên bố. Theo nghiên cứu của họ, vệ tinh Gaia có độ nhạy cần thiết để nghiên cứu sóng hấp dẫn tần số cực thấp được tạo ra bởi các vụ sáp nhập lỗ đen siêu lớn.
Nghiên cứu có tiêu đề Phương pháp tìm kiếm thiên văn học cho các nguồn sóng hấp dẫn có thể phân giải riêng lẻ với Gaia chuyển, gần đây đã xuất hiện trong Thư đánh giá vật lý. Dẫn đầu bởi Christopher J. Moore, một nhà vật lý lý thuyết từ Trung tâm Khoa học Toán học tại Đại học Cambridge, nhóm nghiên cứu bao gồm các thành viên của Viện Thiên văn học Cambridge, Phòng thí nghiệm Cavendish và Viện Vũ trụ học Kavli.
Tóm lại, sóng hấp dẫn (GW) là những gợn sóng trong không gian được tạo ra bởi các sự kiện bạo lực, chẳng hạn như sáp nhập lỗ đen, va chạm giữa các sao neutron và thậm chí cả Vụ nổ lớn. Ban đầu được tiên đoán bởi Thuyết tương đối rộng của Einstein, các đài quan sát như LIGO và Virgo tiên tiến phát hiện các sóng này bằng cách đo cách uốn cong và nén thời gian trong không gian để phản ứng với các GW đi qua Trái đất.
Tuy nhiên, việc vượt qua các GW cũng sẽ khiến Trái đất dao động ở vị trí của nó đối với các ngôi sao. Kết quả là, một kính viễn vọng không gian quay quanh (như Gaia), sẽ có thể nhận ra điều này bằng cách lưu ý một sự thay đổi tạm thời ở vị trí của các ngôi sao xa xôi. Ra mắt vào năm 2013, đài thiên văn Gaia đã dành vài năm qua để thực hiện các quan sát có độ chính xác cao về vị trí của các ngôi sao trong Thiên hà của chúng ta (hay còn gọi là chiêm tinh học).
Về mặt này, Gaia sẽ tìm kiếm những sự dịch chuyển nhỏ trong trường sao khổng lồ mà nó đang theo dõi để xác định xem liệu sóng hấp dẫn có truyền qua khu vực Trái đất hay không. Để điều tra xem Gaia có phụ thuộc vào nhiệm vụ hay không, Moore và các đồng nghiệp đã thực hiện các tính toán để xác định xem kính viễn vọng không gian Gaia có độ nhạy cần thiết để phát hiện các tần số cực thấp hay không.
Cuối cùng, Moore và các đồng nghiệp đã mô phỏng sóng hấp dẫn được tạo ra bởi một lỗ đen siêu lớn nhị phân - tức là hai SMBH quay quanh nhau. Những gì họ tìm thấy là bằng cách nén các tập dữ liệu theo hệ số hơn 106 (đo 100.000 sao thay vì một tỷ mỗi lần), các GW có thể được phục hồi từ dữ liệu Gaia với độ nhạy chỉ mất 1%.
Phương pháp này sẽ tương tự như phương pháp được sử dụng trong Mảng thời gian Pulsar, trong đó một tập hợp các xung milli giây được kiểm tra để xác định xem sóng hấp dẫn có làm thay đổi tần số của xung hay không. Tuy nhiên, trong trường hợp này, các ngôi sao đang được theo dõi để xem liệu chúng có dao động với một mô hình đặc trưng, thay vì đập. Bằng cách nhìn vào một lĩnh vực 100.000 ngôi sao tại một thời điểm, các nhà nghiên cứu sẽ có thể phát hiện các chuyển động rõ ràng gây ra (xem hình trên).
Bởi vì điều này, việc phát hành đầy đủ dữ liệu Gaia (dự kiến vào đầu những năm 2020) có thể sẽ là cơ hội lớn cho những người săn tìm tín hiệu GW. Như Moore đã giải thích trong một Vật lý APS thông cáo báo chí:
Lần đầu tiên, Gaia sẽ biến việc đo lường hiệu ứng này thành một triển vọng thực tế. Nhiều yếu tố góp phần vào tính khả thi của phương pháp, bao gồm độ chính xác và thời gian dài của các phép đo thiên văn. Gaia sẽ quan sát khoảng một tỷ ngôi sao trong 5 trận10 năm, định vị từng người trong số họ ít nhất 80 lần trong khoảng thời gian đó. Quan sát rất nhiều ngôi sao là bước tiến lớn được cung cấp bởi Gaia.
Cũng rất thú vị khi lưu ý rằng tiềm năng phát hiện GW là thứ mà các nhà nghiên cứu nhận ra khi Gaia vẫn đang được thiết kế. Một cá nhân như vậy là Sergei A. Klioner, một nhà nghiên cứu từ Đài thiên văn Lorhrmann và lãnh đạo nhóm Gaia tại TU Dresden. Như ông đã chỉ ra trong nghiên cứu năm 2017 của mình, sóng thiên văn và sóng hấp dẫn giống như Ga Gaia, Gaia có thể phát hiện ra các GW gây ra bằng cách hợp nhất SMBH sau nhiều năm sau sự kiện:
Rõ ràng rằng các nguồn sóng hấp dẫn hứa hẹn nhất để phát hiện thiên văn là các lỗ đen nhị phân siêu lớn ở trung tâm các thiên hà. Người ta tin rằng các lỗ đen siêu khối nhị phân là một sản phẩm tương đối phổ biến của sự tương tác và hợp nhất các thiên hà trong quá trình điển hình của sự tiến hóa của họ. Loại vật thể này có thể tạo ra sóng hấp dẫn với cả tần số và biên độ có khả năng nằm trong phạm vi của chiêm tinh học không gian. Hơn nữa, sóng hấp dẫn từ các vật thể đó thường có thể được coi là có tần số và biên độ gần như không đổi trong toàn bộ thời gian quan sát trong vài năm.
Nhưng tất nhiên, không có gì đảm bảo rằng việc lọc qua dữ liệu Gaia sẽ tiết lộ thêm các tín hiệu GW. Đối với một điều, Moore và các đồng nghiệp của ông thừa nhận rằng sóng ở các tần số cực thấp này có thể quá yếu để thậm chí Gaia không thể phát hiện ra. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu sẽ phải có khả năng phân biệt giữa các tín hiệu GW và xung đột xuất phát từ những thay đổi trong định hướng tàu vũ trụ - đây không phải là một thách thức dễ dàng!
Tuy nhiên, vẫn có hy vọng rằng các nhiệm vụ như Gaia sẽ có thể tiết lộ các GW không dễ nhìn thấy đối với các máy dò giao thoa kế trên mặt đất như LIGO và Advanced Virgo. Các máy dò như vậy phải chịu các hiệu ứng khí quyển (như khúc xạ) ngăn chúng nhìn thấy các sóng tần số cực thấp - ví dụ, các sóng nguyên thủy được tạo ra trong thời kỳ lạm phát của Vụ nổ lớn.
Theo nghĩa này, nghiên cứu sóng hấp dẫn không giống như nghiên cứu ngoại hành tinh và nhiều nhánh khác của thiên văn học. Để tìm ra những viên đá quý ẩn, các đài quan sát có thể cần phải đưa vào không gian để loại bỏ nhiễu khí quyển và tăng độ nhạy của chúng. Sau đó, có thể các kính viễn vọng không gian khác sẽ được trang bị lại cho nghiên cứu của GW và các máy dò GW thế hệ tiếp theo sẽ được gắn trên tàu vũ trụ.
Trong vài năm qua, các nhà khoa học đã đi từ việc phát hiện ra sóng hấp dẫn đầu tiên đến việc phát triển những cách mới và tốt hơn để phát hiện ra chúng. Với tốc độ này, nó đã thắng được rất lâu trước khi các nhà thiên văn học và vũ trụ học có thể đưa sóng hấp dẫn vào các mô hình vũ trụ của chúng ta. Nói cách khác, họ sẽ có thể cho thấy những gì ảnh hưởng của những làn sóng này đã phát trong lịch sử và sự tiến hóa của Vũ trụ.
