Aki járatos az elektronikában, illetve hangtechnikában, az tudja, hogy a hálózati feszültség 50 hertzes frekvenciája szeret mindenhová beszivárogni, és az emiatt hallható, a transzformátorok búgásához hasonló, mindent átható, mélyen búgó „brumm” hangtól nagyon nehéz megszabadulni. Ehhez hasonló, az egész világegyetemet átjáró „háttérbrumm” rezgéseket fedeztek fel most a csillagászok a téridő szerkezetében, ami lényegében egyfajta gravitációs háttérsugárzás.

Természetesen itt az emberi fül számára nem hallható, rendkívül alacsony frekvenciatartományról, nanohertzes rezgésekről van szó, ami éves-évtizedes periódusidőknek felel meg. A gravitációs hullámok első közvetlen felfedezésével büszkélkedő földi lézeres interferométerek ilyen frekvenciatartományban tökéletesen érzéketlenek. Az elektromágneses hullámokat érzékelő csillagászati műszerhez hasonlóan a gravitációshullám-detektoroknak is van érzékenységi frekvencia-tartományuk. Ahogyan a nagyjából a látható fény hullámhosszain működő optikai távcsövek nem képesek például sem a röntgenhullámok, sem a rádióhullámok érzékelésére, úgy a LIGO, a Virgo, és a Kagra lézeres interferométerek sem érzékelik a most felfedezett alacsony frekvenciájú gravitációs háttérsugárzást.

Fantáziarajz pulzárok „fénykévéivel”, távoli gravitációshullám-forrásokkal és a téridő enyhe torzulásaival. Forrás: NANOGrav együttműködés/Aurore Simonnet.

Ehhez egy egészen más, ám közel sem új eszközre volt szükség. A nanohertzes frekvenciatartományban a pulzárok időzítéseiben fellépő kicsiny ingadozásokat mérő PTA (Pulsar Timing Array) megfigyelésekre van szükség. A PTA-k nem külön műszerek, sokkal inkább már meglévő, egyéb feladatokat is ellátó rádiótávcsövek méréseire támaszkodó módszerek. A mérési összeállítás részének tekinthetjük a referencia-forrásokként szolgáló, galaxisunkban szerte elszórt pulzárokat is, így mondhatjuk, hogy egy galaxisméretű eszközről van szó.

A pulzárok olyan neutroncsillagok, amik gyors forgásuknak és erős mágneses terüknek köszönhetően nagyon szigorúan egyenközű rádióimpulzusokat bocsátanak ki. Valójában egy világítótorony fényéhez hasonló forgó sugárnyalábról van szó, aminek az útjába megfelelő geometriai elrendezés esetén a Föld minden fordulat során beleesik. Ám míg ezek az impulzusok az őket kibocsátó pulzártól a földi detektorig eljutnak, addig több tízezer fényévnyi utat kell megtenniük. Az általuk bejárt téridőben terjedő gravitációshullámok torzulásai pedig csekély, ám kimutatható mértékben megváltoztatják az impulzusok beérkezési idejét.

A PTA-k működési elve: földi rádióobszervatóriumok, viszonylag közeli referenciapulzárok és távoli, a világegyetemben mindenfelé elszórt nanohertzes gravitációshullám-források. Forrás: Olena Shmahalo.

Mivel rendkívül gyenge jelekről, ráadásul nagyon hosszú, éves-évtizedes nagyságrendű gravitációshullám-periódusidőkről beszélünk, ezért ennél is hosszabb időtartamú megfigyelésekre, rendkívüli türelemre volt szükség ennek a háttérjelnek a kimutatásához. A NANOGrav együttműködés által működtetett PTA tizenöt éven át gyűjtötte azokat az adatokat, amelyek alapján csak most tudták először nagy bizonyossággal kijelenteni, hogy ez a gravitációs háttérbrumm valóban jelen van a világegyetemben.

A kimutatott jelek két összetevőből állnak. Az egyik komponens hosszú keringési periódusú szupernagy tömegű kettős fekete lyukaktól származik, míg a másik sztochasztikus, azaz véletlenszerű háttérzaj. Ez a világegyetem összes gravitációshullám-forrásának összesített és a térben minden irányban terjedő jele.

A NANOGrav mellett több más PTA együttműködés is figyelemmel követ sok tucatnyi galaktikus pulzárt, és ezek adatai egymást megerősítve mutatják a megfigyelt kozmikus gravitációs háttérbrumm létezését. Ezek az eszközök új fejezetet nyitnak a viszonylag fiatal gravitációshullám-csillagászatban. Immár nem csak összeolvadó fekete lyukak illetve neutroncsillagok gravitációs rezgéseit tudjuk észlelni. A PTA-k lehetőségei igazán tágak, és a türelemmel folytatott további megfigyelések újabb érdekességekkel szolgálnak majd. Egyebek mellett előbb-utóbb várható a zajból kiemelkedő egyedi szupernagy tömegű kettős fekete lyukak jeleinek elkülönítése is.

Forrás: NANOGrav, AstroBites