Gravitační vlny, vlnky ve struktuře časoprostoru předpovězené Albertem Einsteinem před více než stoletím, prostupují vesmírem na nízkých frekvencích, podle víceletého projektu National Science Foundation vedeného vědci z Oregonské státní univerzity.
Pulsarové časovací pole, gravitační vlny. Obrázek se svolením NANOGrav
Zjištění se objevují ve sbírce čtyř prací, jejichž autory jsou výzkumníci z NANOGrav Physics Frontier Center, které spoluřídil Xavier Siemens, profesor fyziky na OSU College of Science.
Důkazy o gravitačních vlnách, jejichž oscilace se měří v letech a desetiletích, byly zveřejněny tento týden v The Astrophysical Journal Letters.
„V neustálém úsilí o pokrok v lidském poznání a porozumění je to opravdu důležitý krok na cestě,“ řekl Siemens.
NANOGrav, což znamená Severoamerická nanohertzová observatoř pro gravitační vlny, je mezinárodní spolupráce téměř 200 astrofyzických výzkumníků, jejichž posláním je pomocí rádiového pulsarového časování hledat nízkofrekvenční gravitační vlny.
Xavier Siemens, vlevo, a Jeffrey Hazboun z OSU College of Science.
Detekce „sboru“ nízkofrekvenčních gravitačních vln, jak to udělal NANOGrav, je klíčem k odhalení tajemství, jak se formují struktury ve vesmíru, řekl astrofyzik OSU Jeff Hazboun.
"Otevřeli jsme tuto novou oblast spektra pro gravitační vlny," řekl Hazboun. "Viděli jsme nízkofrekvenční vlny z úplně jiné části spektra, což nám říká, že jde o všudypřítomný fyzikální jev a že je můžeme hledat kdekoli."
Gravitační vlny byly poprvé pozorovány v roce 2015 laserovým interferometrem Gravitational-Wave Observatory neboli LIGO.
Objev těchto vln s frekvencemi kolem 100 cyklů za sekundu byl mezníkem ve fyzice a astronomii. Potvrdila jednu z hlavních předpovědí Einsteinovy teorie relativity a získala Nobelovu cenu za fyziku pro zakladatele LIGO.
Pulsary jsou rychle rotující pozůstatky hmotných hvězd, které explodovaly jako supernovy. Vysílají pulsy rádiových vln s extrémní pravidelností a skupina z nich je známá jako pulsar timing array neboli PTA.
Siemens řekl, že XNUMX pulsarů bylo použito ke shromáždění důkazů, že galaxie Mléčná dráha je zaplavena v moři nízkofrekvenčních gravitačních vln.
Einsteinova teorie obecné relativity z roku 1915 předpověděla, jak by gravitační vlny měly ovlivňovat signály pulsarů: Natažením a stlačením struktury časoprostoru by gravitační vlny měly změnit načasování každého pulsu předvídatelným způsobem, zpozdit některé pulsy, zatímco jiné zrychlit.
„Velký počet pulsarů použitých v analýze NANOGrav nám umožnil vidět to, co si myslíme, že jsou první známky korelačního vzorce předpovídaného obecnou teorií relativity,“ řekl Siemens. "Můžeme použít tyto pulsary jako hodiny rozprostřené po obloze a můžeme vidět, jak se tikot hodin mění od gravitačních vln procházejících naší galaxií."
NANOGrav začal v roce 2007 a o osm let později byl spuštěn jako Physics Frontier Center s grantem 14.5 milionu dolarů od National Science Foundation, když byl Siemens na University of Wisconsin-Milwaukee.
Siemens se připojil k OSU v roce 2019 a o dva roky později NSF udělila společnosti NANOGrav dalších 17 milionů dolarů během pěti let na hledání signálů gravitačních vln pomocí teleskopu Green Bank v Západní Virginii, Very Large Array v Novém Mexiku a observatoře Arecibo v Portoriku.
Siemens uvedl, že OSU dostává ročně přibližně 600,000 XNUMX USD na financování NANOGrav, přičemž analýza dat je primární rolí státu Oregon vedle vedení projektu a správy.
NANOGrav, který spolurežíruje Maura McLaughlin, astronomka z West Virginia University, spojuje úsilí výzkumníků z 18 univerzit, včetně přibližně 20 postgraduálních a vysokoškolských studentů ze státu Oregon.
"Hledání gravitačních vln je jako skládání puzzle: Každý má svůj vlastní dílek, ale všechny do sebe zapadají," řekla Phia Morton z Bend, hlavní obor aplikovaná fyzika a jaderné inženýrství. „Je běžnou mylnou představou, že vědecké objevy pocházejí od osamělého génia. Naopak, rozsáhlé vědecké projekty vyžadují enormní množství spolupráce a to, aby všichni zúčastnění věřili v cíle skupiny.“
Morton a další vysokoškoláci OSU přispívají hledáním nových pulsarů, které by přidali do pole NANOGrav; čím více pulsarů má k dispozici, tím citlivější může být detekce gravitačních vln, vysvětluje.
"Pulsary jsou ve skutečnosti velmi slabé rádiové zdroje, takže k provedení tohoto experimentu potřebujeme tisíce hodin ročně na největších světových dalekohledech," řekl McLaughlin. "Tyto výsledky jsou možné díky trvalému závazku National Science Foundation vůči těmto výjimečně citlivým rádiovým observatořím."
Výzkumníci z LIGO, také mezinárodní spolupráce financované NSF, v roce 2015 detekovali gravitační vlny produkované srážkou dvou černých děr pomocí dvou interferometrů LIGO v Livingstonu v Louisianě a Hanfordu ve Washingtonu.
Gravitační vlny, které lze pozorovat pomocí LIGO, vytvořené těmito typy „dvojhvězd černých děr“, mají frekvence asi 100 hertzů, řekl Hazboun.
"NANOgrav hledá gravitační vlny s frekvencemi 11 řádů pod těmi, které detekuje LIGO," řekl.
Siemens vysvětluje, že použití PTA k detekci chóru signálů gravitačních vln z vícenásobných supermasivních sloučení černých děr – popisovaných jako stochastické pozadí gravitačních vln – má větší příslib pro pochopení vesmíru než detekce jediné vlny z jediné dvojhvězdy černé díry. kolize.
„Každý signál je jako nota a my nejdeme jen o jednu z těchto not – chceme slyšet celý sbor,“ řekl. "Chceme slyšet kolektivní chór všech supermasivních dvojhvězd černých děr, které se ve vesmíru spojují."
Supermasivní černé díry jsou největším typem černých děr, milionkrát až miliardkrát větší než hmotnost Slunce, a sídlí v centrech galaxií.
Výzkumníci z NANOGrav říkají, že budoucí studie signálů, které vysílají supermasivní černé díry, umožní vědcům prohlížet si vesmír gravitačních vln novým oknem, které nabídne pohled na titanické černé díry splývající v centrech vzdálených galaxií a potenciálně do dalších exotických zdrojů nízkých teplot. -frekvenční gravitační vlny.
"Toto je jen začátek naší práce," řekl Siemens.
Zdroj: Oregon State University
