Pulsar Timing Arrays, gravitační vlny a Fermiho observatoř

Nedávno jsme si podrobně rozebrali neutronové hvězdy, jejich vznik, vlastnosti či specifika. Řekli jsme si též stručně jaké typy neutronových hvězd známe a čím jsou charakteristické. Dosti podrobně jsme pak rozebrali poměrně častý a pro astronomii i kosmonautiku významný druh neutronových hvězd – pulsary. Právě u pulsarů byly nalezeny první exoplanety, pomohly také potvrdit gravitační vlny, ale s jejich pomocí se dají též třeba navigovat kosmické lodě. My se dnes ale zaměříme na jinou zajímavou metodu, s jejíž pomocí můžeme zkoumat gravitační vlny a kterou mohou využít i některé kosmické sondy.

Pulsar Timing Arrays

Jak už víme z minulého článku, pulsary se vyznačují mimořádně pravidelnými a rychle se opakujícími pulsy. Obvyklá perioda pulsarů se pohybuje v řádu desetiny sekundy. Právě detailní studium těchto pulsů využívá metoda Pulsar Timing Array (PTA). Konkrétně se sledují některé vybrané pulsary v Mléčné dráze a to, zda jejich signály nevykazují nějaké nestandardní chování. Při využití metody PTA se obvykle pro pozorování užívají radioteleskopy.

K čemu je tento postup vhodný? Gravitační vlny, tedy vlny křivosti prostoročasu, byly prokázány pomocí binárního systému pulsaru PSR B1913+16 a poprvé přímo detekovány observatoří LIGO. Zde jsme pozorovali vlny s poměrně krátkými vlnovými délkami, které pocházejí ze srážek dvojic černých děr, neutronových hvězd či jejich kombinací. Astronomy ale zajímají i zdroje s výrazně delšími vlnovými délkami. Jde například o dvojice supermasivních černých děr, systémy s velkým rozdílem hmotnosti, jako jsou supermasivní černé díry a do nich padající hvězdy, nebo reliktní gravitační vlny.

Částečně nám v tom pomohou vesmírné observatoře, jako třeba LISA nebo DECIGO, nicméně detektory s rameny delšími než několik milionů kilometrů vybudovat dosud neumíme. Odborníci si ale dokáží poradit. Mohou využít právě pulsarů rozmístěných víceméně náhodně po celé Galaxii. Nejlepší jsou v tomto případě milisekundové pulsary, neboť jejich záblesky pozorujeme v celém spektru elektromagnetického záření od rádiových až po gama paprsky.

Řekli jsme si, že záblesky pulsarů jsou nesmírně pravidelné, slouží tedy jako vysoce přesné hodiny. Občas se ale přesto stává, že k nám signál z pulsaru doletí o něco dříve či později, než by měl. Rozdíl se sice obvykle pohybuje v jednotkách nanosekund, ale existuje. Specialisté se domnívají, že za tím mohou stát gravitační vlny pohybující se Galaxií. Díky tomu lze v principu vytvořit detektor gravitačních vln o velikosti celé Galaxie nebo alespoň její značné části.

Stačí k tomu pravidelně pozorovat pulsy z většího množství pulsarů, poté prozkoumat jejich signál a najít gravitační vlny, jimiž procházel. To se vcelku logicky provádí za pomoci velmi výkonných počítačů. Čím častěji každý pulsar monitorujeme, tím nižší vlnové délky gravitačních vln můžeme pozorovat. Je ovšem otázka, zda je to účelné, když máme tuto část spektra pokrytou jinými přístroji.

Radioteleskopy zapojené do PTA

Poprvé se metoda testovala v Austrálii na radioteleskopech Parkes, které mimo jiné zajišťovaly i komunikaci s kosmickými loděmi Apollo. Tato síť se nazývá Parkes Pulsar Timing Array (PPTA). Později vznikl i projekt European Pulsar Timing Array (EPTA) využívající třeba Lovellův teleskop, Sardinský teleskop nebo teleskopy v Effelsbergu a Nancay. Jako třetí spatřil světlo světa severoamerický program North American Nanohert Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). Ten má ovšem nyní problémy kvůli kolapsu radioteleskopu v Arecibu na Portoriku. A zatím jako poslední se přidali Indové se svým Indian Pulsar Timing Array (InPTA).

Prozatím nepřišly žádné prokazatelné úspěchy, což však není příliš překvapivé, jelikož astronomové potřebují nashromáždit značné množství dat. Velký průlom by snad měl přinést projekt Square Kilometre Array (SKA), gigantická soustava radioteleskopů v západní Austrálii a Jihoafrické republice, jež bude mít dohromady plochu jednoho čtverečního kilometru.

Technika PTA má však i některé nevýhody. První z nich je skutečnost, že pomocí ní nelze určit přesnou polohu zdroje na obloze. Vždy nám totiž zůstane oblast asi 100 čtverečních stupňů, z níž mohl signál přiletět. Druhou nevýhodu představují volné elektrony vyskytující se v mezihvězdném prostoru, které mohou způsobit poměrně výrazný šum získaných dat. Přesto však má metoda své místo ve výzkumu a snad ji čeká zářná budoucnost.

Lze použít gama observatoř k hledání gravitačních vln?

Metoda PTA ovšem nemusí pracovat jen v rádiové oblasti. Některé pulsary totiž vyzařují velmi výrazně v celé škále elektromagnetického spektra včetně záření gama. Přesun do této oblasti by měl velkou výhodu v tom, že řeší problém šumu způsobený volnými elektrony. Ty totiž gama fotony téměř neovlivňují. Současné pozorování v rádiové i gama oblasti navíc může pomoci výrazně zpřesnit získané údaje.

Najít gama fotony ale není úplně snadné. Někteří astronomové se dokonce domnívali, že na to naše současné přístroje nestačí. To se pokusil ověřit tým pod vedením experta na gama astronomii Michaela Kerra. Rozhodli se přitom využít data z Fermiho gama dalekohledu. Podívali se do dat získaných observatoří za 12 a půl roku činnosti a hledali gama fotony z asi 30 vhodných pulsarů. Zatímco radioteleskopy musí vždy jednotlivě sledovat nějaký konkrétní pulsar, Fermiho teleskop neustále snímá značnou část oblohy, takže je téměř vždy v dohledu některý z cílových pulsarů.

Fotony v gama oboru jsou nicméně natolik vzácné, že se Fermiho observatoř může dívat třeba několik dní a žádný takový foton nenajde. Přesto Kerr s kolegy nalezli dostatek fotonů pro aplikaci metody PTA v této oblasti spektra. Podobně jako u rádiového záření prozatím vědci nejsou schopni detekovat přímo gravitační vlny, ale dokáží alespoň stanovit hranici citlivosti postupu. Už jen to, že nápad funguje a Fermiho dalekohled dokáže tyto fotony detekovat je malý zázrak. Při vypuštění observatoře se totiž s ničím podobným ani zdaleka nepočítalo.

Kerr uznává, že citlivost měření v gama oblasti je v současnosti jen na úrovni přibližně třiceti procent citlivosti PTA v rádiových vlnách. Zdá se ale, že jde pouze o věc malé statistiky. V tuto chvíli to chce čas na sběr dat v delším časovém horizontu. Jakmile odborníci získají dostatek údajů, měla by být metoda stejně citlivá v gama i v rádiové oblasti. Jestliže bude Fermiho dalekohled nadále fungovat tak jako dnes, měla by mít gama PTA citlivost srovnatelnou s rádiovou PTA zhruba za 5 – 10 let.

Závěr

Používat Fermiho ani jinou gama observatoř k hledání gravitačních vln zřejmě v nejbližších několika letech nebudeme. Potenciálně jde nicméně o zajímavou možnost, jež nám může poskytnout další způsob jak se dívat na gravitační vlny a o něco více pootevřít toto naše nejnovější okno do vesmíru. Především bychom pak díky PTA mohli vidět jiné zdroje gravitačních vln, než (u)vidíme z pozemních detektorů i kosmických interferometrů.

Úpravy a doplnění

• 25. 5. 2023 – Na základě upozornění od Rasťa Bujnaka upravuji chybnou formulaci o velikosti soustavy radioteleskopů Square Kilometre Array. Jakož i překlep v názvu tohoto přístroje, kterého jsem si všiml sám.

Použité a doporučené zdroje

• Fermi NASA Goddard: https://fermi.gsfc.nasa.gov/
• Fermi NASA: https://www.nasa.gov/content/fermi/overview
• Parkes Pulsar Timing Array: https://www.atnf.csiro.au/research/pulsar/ppta/
• Indian Pulsar Timing Array: https://inpta.iitr.ac.in/
• European Pulsar Timing Array: http://www.epta.eu.org/
• NANOGrav: https://nanograv.org/

Zdroje obrázků

• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/Fermi_Gamma-ray_Space_Telescope_spacecraft_model.png
• https://www.daviddarling.info/images21/Hulse-Taylor_pulsar.jpg
• https://astrobites.org/wp-content/uploads/2012/11/PTAs-1024×768.gif
• https://inpta.iitr.ac.in/images/DR1a.jpeg
• https://www.csiro.au/-/media/Astronomy/Images/Parkes-radio-telescope—Hero-image-daytime.jpg?mw=1200&hash=ED44FB4A2AEBA491A4D0FC666B78263C
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d9/SKA_overview.jpg
• https://www.nasa.gov/images/content/283511main_fermigrop_pulsarmodel_HI.jpg
• https://fermi.gsfc.nasa.gov/science/eteu/pulsars/figure1.jpg
• https://www.nasa.gov/images/content/317877main_Fermi_LAT.jpg