Astronomowie ogłaszają ważne odkrycie dotyczące fal grawitacyjnych

W świecie wyimaginowanym przez Einsteina przestrzeń nie jest po cichu pusta, a czas nie płynie płynnie do przodu. Zamiast tego potężne oddziaływania grawitacyjne masywnych obiektów – w tym supermasywnych czarnych dziur – równomiernie marszczą strukturę przestrzeni i czasu. Obraz, który się wyłania, przedstawia wszechświat, który wygląda jak wzburzone morze, wzburzone gwałtownymi wydarzeniami, które miały miejsce w ciągu ostatnich 13 miliardów lat.

Tło fali grawitacyjnej, jak opisują to astrofizycy, nie ma wpływu na codzienną ludzką egzystencję. Nie ma tu nigdzie odkrycia odchudzania. Wybuch fal grawitacyjnych nie może wyjaśnić, dlaczego w niektóre dni czujesz się tak źle. Ale oferuje możliwy wgląd w fizyczną rzeczywistość, w której wszyscy żyjemy.

„To, co mierzymy, to to, że Ziemia w pewnym sensie porusza się w tym morzu” – powiedział Michael Lamm, astrofizyk z Instytutu SETI i członek Obserwatorium Fal Grawitacyjnych Nanohertz (NANOGrav), zespołu z siedzibą głównie w Ameryce Północnej. Zespół NANOGrav opublikował odkrycia w pięciu artykułach, które zostały opublikowane w środę w Astrophysical Journal Letters.

Zespoły w Europie, Indiach, Australii i Chinach również zaobserwowały to zjawisko i planują opublikować swoje badania w tym samym czasie. Jednoczesne wydanie dokumentów od odległych, konkurencyjnych zespołów stosujących podobną metodologię nastąpiło dopiero po pewnej dyplomacji naukowej, która zapewniła, że ​​żadna grupa nie próbowała odebrać reszty społeczności astrofizycznej.

„Przez ostatnie 15 lat byliśmy na misji, aby znaleźć niski szum fal grawitacyjnych, które odbijają się echem w całym wszechświecie i przemywają naszą galaktykę, aby zakrzywić czasoprzestrzeń w mierzalny sposób” – Stephen Taylor, szef NANOGrav z Vanderbilt — poinformował uniwersytet na wtorkowej konferencji prasowej.

– Miło nam poinformować, że nasza ciężka praca się opłaciła.

Odkrycie martwych gwiazd

Ten wyczyn opiera się na wcześniejszych odkryciach obiektów we wszechświecie niewidocznych gołym okiem — pulsarów. Pulsar to rodzaj gwiazdy neutronowej, bardzo gęstej pozostałości po martwej gwieździe. Nazywa się go pulsarem, ponieważ obraca się z setkami prędkości cykli na sekundę fale radiowe są emitowane w stałym impulsie. Pulsary odkryto dopiero w latach 60. XX wieku, krótko po wynalezieniu dużych radioteleskopów.

Nanograf zebrał dane z 68 pulsarów za pomocą teleskopu Green Bank Telescope w wiejskiej Wirginii Zachodniej oraz 27 teleskopów nieistniejącego już teleskopu Carl J. Jansky Very Large Array w Nowym Meksyku. Obserwatorium Arecibo w Puerto Rico.

Impulsy z tych UFO docierają do teleskopów na Ziemi z częstotliwościami tak przewidywalnymi, że działają jak kosmiczne zegary, z grubsza jak najbardziej zaawansowane dzisiejsze zegary atomowe, powiedziała Chiara Mingarelli, astrofizyk z Yale i członkini zespołu NANOGrav.

Teoretycy uważają, że fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości mogą spowolnić nadejście sygnałów pulsarowych. Takie fale o niskiej częstotliwości mogą mieć szczyty oddzielone latami, więc poszukiwania są ukryte w morzu czasoprzestrzeni. Wymagana jest cierpliwość. Mingarelli powiedział, że odchylenie w danych pulsara jest tak niewielkie, że znalezienie mocnych dowodów na istnienie tych fal grawitacyjnych zajęło 15 lat obserwacji.

Zespół NANOGrav wcześniej publikował raporty ze wstępnymi sugestiami, że tło jest obecne, ale powiedział, że potrzeba więcej czasu, aby zbudować pewność, że sygnał jest prawdziwy, a nie tylko szum.

„Nawet stworzenie eksperymentu było ogromnym skokiem umysłowym” – powiedział Mingarelli.

Istnienie fal grawitacyjnych nie podlega dyskusji. W 2016 roku naukowcy ogłosili, że ich ambitny eksperyment o nazwie LIGO (Laser Gravitational-Wave Observatory), trwający od czterech dekad, wykrył fale pochodzące z połączenia dwóch czarnych dziur. Ale nowo ogłoszone fale nie są jednorazowymi cudami, a teoretycy przedstawiają kilka możliwych wyjaśnień, dlaczego kosmiczne fale morskie są takie, jakie są.

Preferowanym wyjaśnieniem są supermasywne czarne dziury.

Większość galaktyk jest domem dla supermasywnych czarnych dziur w ich centralnym regionie lub w jego pobliżu. Te czarne dziury z pewnością zasługują na miano „supermasywnych”: zwykle mają masę odpowiadającą milionom, a nawet miliardom słońc. Z kolei czarne dziury o „masie gwiezdnej” to wypukłości o masach równoważnych 10, 20 lub 30 słońc.

Galaktyki rzadko się zderzają, ale wszechświat jest ogromny, są miliardy galaktyk i miały mnóstwo czasu, by na siebie dryfować. Teoretycy twierdzą, że podczas galaktycznego spotkania supermasywne czarne dziury W sercu dwóch galaktyk Najpierw wykona taniec grawitacyjny. Lamm powiedział, że mogą krążyć wokół siebie przez miliony lat. Ta koniunkcja jest znana jako układ podwójny supermasywnej czarnej dziury.

Naukowcy uważają, że wirujący taniec zaburza strukturę czasoprzestrzeni na tyle, że generuje fale grawitacyjne o bardzo niskiej częstotliwości, które przemieszczają się po wszechświecie z prędkością światła. Z biegiem czasu energia niejako wycieka z sali balowej, a supermasywne czarne dziury zbliżają się do siebie, skracając okres ich orbit do zaledwie kilku dekad. Lamm powiedział, że w tym momencie długości fal zaczynają osiągać częstotliwości wykrywalne przez NANOGrav.

„W tym momencie naszych pomiarów nie możemy definitywnie zidentyfikować źródeł, które wytwarzają sygnał tła fali grawitacyjnej” – powiedział na wtorkowej konferencji prasowej członek zespołu NANOGrav, Luke Kelly, astrofizyk z University of California w Berkeley. Powiedział jednak, że dane są przekonująco zgodne z przewidywaniami teoretycznymi.

Dodał, że teoretycy „bawią się” wymyślając inne możliwe źródła sygnału o niskiej częstotliwości. Ale „jeśli nie pochodzi z układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur, będziemy musieli wyjaśnić, gdzie ukrywają się te supermasywne czarne dziury i dlaczego nie widzimy ich fal grawitacyjnych”.

Niezależnie od źródła sygnału, ogłoszenie tła fali grawitacyjnej jest kamieniem milowym w embrionalnej dziedzinie astronomii fal grawitacyjnych.

Tak jak niektórzy astronomowie używają różnych długości fal światła do badania wszechświata, tak teraz mogą szukać różnych rodzajów fal grawitacyjnych. Fale o niskiej częstotliwości, które ogłoszono w środę, nie będą wykrywalne przez LIGO, jest też odwrotnie: NANOGrav i podobne wysiłki wykorzystujące pulsary nie były w stanie wykryć typu Fale o wysokiej częstotliwości z gwałtownego łączenia się mas gwiazdowych czarnych dziur zaobserwowane przez LIGO.

Następnym celem, powiedział Lamm, jest sparowanie określonych fal grawitacyjnych z potencjalnymi układami podwójnymi supermasywnych czarnych dziur, które zostały wykryte przez konwencjonalne formy astronomii. Innymi słowy, zamiast mówić, że odbieramy sygnały wielu fal, astronomowie mogą powiedzieć, że ta konkretna fala pochodzi z tego miejsca.

Ogłoszenie to przypomina kolejny kamień milowy w historii kosmologii. W 1965 roku w Bell Labs pracowało dwóch fizyków Donoszą, że wykryli sygnał czegoś, co wcześniej zakładano: kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Ta szczątkowa poświata dostarczyła historycznych dowodów na to, że Wszechświat został stworzony przez Wielki Wybuch.

Maura McLaughlin, zastępca dyrektora NANOGrav Physics Frontiers Center, powiedziała na wtorkowym briefingu, że następnym krokiem międzynarodowych zespołów będzie połączenie ich niezależnych danych w jeden „zestaw danych Uber”, który powinien pokazywać wyraźniejszy sygnał grawitacji. Falowe tło – a być może nawet pierwsze wykrycie supermasywnego czarnego układu podwójnego.

„Otwieramy zupełnie nowe okno… na wszechświat fal grawitacyjnych” – powiedziała.

praca mówi, Powinno to zapewnić głębszy wgląd w sposoby formowania się i ewolucji galaktyk. Może nawet ujawnić dziwną nową fizykę, która zmieni nasze podstawowe rozumienie wszechświata: „To powinno być naprawdę ekscytujące”.