Wykrywanie ciągłych fal grawitacyjnych (GW) emitowanych przez szybko wirujące, asymetryczne gwiazdy neutronowe w naszej Galaktyce jest niezwykle trudne. Te słabe sygnały muszą być rejestrowane przez długi czas, aby można było odróżnić je od szumu własnego w detektorach fal grawitacyjnych. Dlatego, pomimo trwających poszukiwań, nie potwierdzono jeszcze ich wykrycia.
Jeśli jednak na kierunku obserwacji źródła znajduje się masywny obiekt, może on wzmocnić amplitudę sygnału GW – zjawisko to znane jest jako soczewkowanie grawitacyjne. W kontekście sygnałów i źródeł w naszej Galaktyce, powstaje charakterystyczne, zmienne w czasie wzmocnienie sygnału, podobne do dobrze znanej krzywej Paczyńskiego w mikrosoczewkowaniu elektromagnetycznym. Efekt ten może wzmocnić słabe sygnały GW emitowane przez wirujące, nieosiowosymetryczne gwiazdy neutronowe, umożliwiając ich detekcję, a jednocześnie dostarczając informacje zarówno na temat obiektu soczewkującego, jak i źródła.
Zespół badawczy z CAMK PAN i NCBJ (Narodowe Centrum Badań Jądrowych), kierowany przez doktoranta z CAMK, Sudhagara Suyamprakasama, zbadał, czy ten efekt można wykryć w przypadku sygnałów z gwiazd neutronowych, za pomocą istniejących detektorów drugiej generacji: LIGO, Virgo i KAGRA. Rozważyli oni kilka potencjalnych obiektów soczewkujących w naszej Galaktyce, takich jak czarne dziury o masie gwiazdowej, czarne dziury o masie pośredniej, pierwotne czarne dziury oraz obiekty gwiazdowe, które mogłyby działać jako mikrosoczewki. Traktując te obiekty jako masy punktowe, zespół najpierw opracował teoretyczne modele, służące jako wzorce oczekiwanego efektu soczewkowania, a następnie przetestował je za pomocą symulowanych sygnałów fal grawitacyjnych.
Aby wyszukać mikrosoczewkowane sygnatury w symulowanym sygnale, naukowcy wykorzystali metodę wyszukiwania fal grawitacyjnych opartą na formule statystyki Fouriera w dziedzinie czasu, opracowaną przez naukowców z CAMK. Technika ta jest wrażliwa na zmiany siły sygnału w krótkich segmentach czasu. Ponieważ stosunek sygnału do szumu w każdym segmencie jest bezpośrednio zależny od wzmocnienia przez mikrosoczewkowanie, podejście to jest szczególnie skuteczne w identyfikacji mikrosoczewkowanego wzoru w sygnałach.
Wyniki wskazują na obiecującą nową metodę odkrywania ciągłych fal grawitacyjnych, a także na badanie ukrytej populacji zwartych i ciemnych obiektów w naszej Galaktyce.
Rysunek: Górny panel przedstawia symulowany sygnał fali grawitacyjnej o częstotliwości 1000 Hz pochodzący z gwiazdy neutronowej, który jest tymczasowo wzmacniany (mikrosoczewkowany) przez obiekt o masie 100 mas Słońca, przy użyciu formuły statystyki F w dziedzinie czasu. Dolny panel przedstawia ten sam typ sygnału: ma on częstotliwość 100 Hz, ale jest wzmacniany przez obiekt o masie 10 000 mas Słońca. Na obu panelach ciemna linia przedstawia teoretyczne przewidywania dotyczące ewolucji wzmocnienia mikrosoczewkowania w czasie.
Praca oryginalna:
Microlensing of long-duration gravitational wave signals originating from Galactic sources
Sudhagar Suyamprakasam, Sreekanth Harikumar, Paweł Ciecieląg Przemysław Figura, Michał Bejger, and Marek Biesiada
