Nya metoder för att detektera ultralågfrekventa gravitationsvågor kan kombineras med andra, mindre känsliga mätningar för att leverera nya insikter om den tidiga utvecklingen av vårt universum, enligt forskare vid University of Birmingham.

Gravitationsvågor – krusningar i väven i Einsteins rumtid – som korsar universum med ljusets hastighet har alla möjliga våglängder, eller frekvenser. Forskare har ännu inte lyckats upptäcka gravitationsvågor vid extremt låga "nanohertz"-frekvenser, men nya tillvägagångssätt som för närvarande utforskas förväntas bekräfta de första lågfrekventa signalerna ganska snart.

Huvudmetoden använder radioteleskop för att upptäcka gravitationsvågor med hjälp av pulsarer - exotiska, döda stjärnor, som sänder ut pulser av radiovågor med extraordinär regelbundenhet. Forskare vid NANOGrav-samarbetet, till exempel, använd pulsarer till tid för att utsöka precision i rotationsperioderna för ett nätverk, eller array, av millisekundspulsarer – astronomernas bästa uppskattning av ett nätverk av perfekta klockor – spridda över hela vår galax. Dessa kan användas för att mäta fraktionella förändringar som orsakas av gravitationsvågor när de sprider sig genom universum.

Frågan om vad som producerar dessa signaler, dock, har ännu inte fastställts. Forskare vid University of Birminghams Institute for Gravitational Wave Astronomy, hävdar att det kommer att vara extremt svårt att lösa ett svar med endast data från pulsar timing arrays (PTA).

Istället, i ett brev publicerat idag i Natur astronomi, de föreslår att man kombinerar dessa nya data med observationer gjorda av andra projekt, såsom Europeiska rymdorganisationens Gaia-uppdrag, kommer att hjälpa de olika signalerna som fortfarande finns kvar från de tidigaste perioderna av vårt universum att lossas och tolkas.

Huvudteorin för ultralågfrekventa gravitationsvågor är att de orsakas av en population av supermassiva svarta hål i centrum av sammanslagna galaxer. När galaxer smälter samman, deras centrala svarta hål parar ihop sig, bildar binärer och genererar gravitationsvågor. I detta fall, en detektering av gravitationsvågor av PTA skulle erbjuda spännande nya sätt att studera astrofysiken i galaxernas sammansättning och tillväxt.

Men det finns andra möjligheter också. Nanohertz gravitationsvågor kan berätta historien om vårt spädbarnsuniversum, långt innan galaxer och svarta hål bildas. Faktiskt, det har föreslagits att extremt lågfrekventa gravitationsvågsignaler istället skulle kunna genereras kort efter big bang av andra processer; till exempel om universum genomgick vad fysiker kallar en fasövergång vid rätt temperatur.

Huvud författare, Dr Christopher Moore, sa:"De första trevande antydningarna om en gravitationsvågssignal som använder pulsartimingsmatriser kan nyligen ha setts av NANOGrav och vi förväntar oss att de närmaste åren kommer att bli en guldålder för denna typ av vetenskap. Mångfalden av förklaringar till dessa signaler är spännande , men också en labyrint. Vi behöver ett sätt att skilja de olika möjliga källorna från varandra. För närvarande, detta är extremt svårt att göra med enbart pulsar timing array-data."

Medförfattaren professor Alberto Vecchio sa:"Pulsar-timingsmatriser kan erbjuda oöverträffade insikter i forntida kosmologiska processer. Att utveckla de sofistikerade metoderna för att tolka dessa insikter kommer att innebära att vi verkligen kan börja förstå hur vårt universum bildades och tog form."