Tyngdekraftsbølger, krusninger i strukturen af tid-rum forudsagt af Albert Einstein for mere end et århundrede siden, gennemsyrer universet ved lave frekvenser, ifølge et flerårigt National Science Foundation-projekt ledet af Oregon State University-forskere.
Pulsar timing array, gravitationsbølger. Billede udlånt af NANOGrav
Resultaterne vises i en samling af fire artikler forfattet af forskere fra NANOGrav Physics Frontier Center, der er ledet af Xavier Siemens, professor i fysik ved OSU College of Science.
Beviser for gravitationsbølgerne, hvis svingninger måles i år og årtier, blev offentliggjort i denne uge i The Astrophysical Journal Letters.
"I den konstante søgen efter at fremme menneskelig viden og forståelse er dette et virkelig vigtigt skridt på rejsen," sagde Siemens.
NANOGrav, som står for North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, er et internationalt samarbejde mellem næsten 200 astrofysiske forskere, hvis mission er at bruge radiopulsar timing til at søge efter lavfrekvente gravitationsbølger.
Xavier Siemens, venstre, og Jeffrey Hazboun fra OSU College of Science.
At opdage et "kor" af lavfrekvente gravitationsbølger, som NANOGrav har gjort, er en nøgle til at låse op for mysterierne om, hvordan strukturer dannes i kosmos, sagde OSU-astrofysiker Jeff Hazboun.
"Vi har åbnet dette nye spektrumområde for gravitationsbølger," sagde Hazboun. "Vi har set lavfrekvente bølger fra en helt anden del af spektret, som fortæller os, at de er et allestedsnærværende fysisk fænomen, og at vi kan lede efter dem hvor som helst."
Gravitationsbølger blev først observeret i 2015 af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eller LIGO.
Opdagelsen af disse bølger, med frekvenser på omkring 100 cyklusser i sekundet, var en milepælsbegivenhed inden for fysik og astronomi. Det bekræftede en af de vigtigste forudsigelser i Einsteins relativitetsteori og fik en Nobelpris i fysik til LIGOs grundlæggere.
Pulsarer er de hurtigt roterende rester af massive stjerner, der eksploderede som supernovaer. De udsender pulser af radiobølger med ekstrem regelmæssighed, og en gruppe af dem er kendt som et pulsar timing array eller PTA.
Siemens sagde, at XNUMX pulsarer blev brugt til at indsamle beviser for, at Mælkevejsgalaksen er oversvømmet i et hav af lavfrekvente gravitationsbølger.
Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915 forudsagde, hvordan gravitationsbølger skulle påvirke pulsarsignaler: Ved at strække og klemme stoffet i tid-rum, skulle gravitationsbølger ændre timingen af hver puls på en forudsigelig måde, forsinke nogle pulser, mens de fremskynder andre.
"Det store antal pulsarer brugt i NANOGrav-analysen har gjort os i stand til at se, hvad vi tror er de første tegn på korrelationsmønsteret forudsagt af den generelle relativitetsteori," sagde Siemens. "Vi kan bruge disse pulsarer som ure spredt ud gennem himlen, og vi kan se, hvordan urenes tikkende skifter fra gravitationsbølger, der passerer gennem vores galakse."
NANOGrav begyndte i 2007 og otte år senere lanceret som et Physics Frontier Center med et tilskud på 14.5 millioner dollars fra National Science Foundation, da Siemens var på University of Wisconsin-Milwaukee.
Siemens sluttede sig til OSU i 2019, og to år senere tildelte NSF NANOGrav yderligere 17 millioner dollars over fem år til at søge efter gravitationsbølgesignaler med Green Bank Telescope i West Virginia, Very Large Array i New Mexico og Arecibo Observatory i Puerto Rico.
Siemens sagde, at OSU modtager omkring $600,000 årligt i NANOGrav-finansiering, hvor dataanalyse er Oregon States primære rolle udover projektledelse og administration.
Medinstrueret af Maura McLaughlin, en astronom ved West Virginia University, kombinerer NANOGrav indsatsen fra forskere ved 18 universiteter, herunder cirka 20 kandidat- og bachelorstuderende ved Oregon State.
"At lede efter gravitationsbølger er som at lægge et puslespil: Alle har deres egen brik, men de passer alle sammen," sagde Phia Morton fra Bend, en senior med speciale i anvendt fysik og nuklear teknik. ”Det er en almindelig misforståelse, at videnskabelige gennembrud kommer fra et ensomt geni. Tværtimod kræver store videnskabelige projekter enorme mængder af samarbejde, og at alle involverede tror på gruppens mål.”
Morton og andre studerende fra OSU bidrager ved at søge efter nye pulsarer, der kan tilføjes til NANOGravs array; jo flere pulsarer den har til rådighed, jo mere følsom kan gravitationsbølgedetektionen være, forklarer hun.
"Pulsarer er faktisk meget svage radiokilder, så vi kræver tusindvis af timer om året på verdens største teleskoper for at udføre dette eksperiment," sagde McLaughlin. "Disse resultater er gjort mulige gennem National Science Foundations fortsatte engagement i disse usædvanligt følsomme radioobservatorier."
Forskere med LIGO, også et NSF-finansieret internationalt samarbejde, opdagede i 2015 gravitationsbølger produceret ved kollisionen af to sorte huller ved hjælp af de to LIGO-interferometre i Livingston, Louisiana og Hanford, Washington.
De gravitationsbølger, der kan observeres af LIGO, skabt af disse typer af "sort hul-binære filer", har frekvenser på omkring 100 hertz, sagde Hazboun.
"NANOgrav søger efter gravitationsbølger med frekvenser 11 størrelsesordener under dem, som LIGO registrerer," sagde han.
Siemens forklarer, at brugen af en PTA til at detektere et kor af gravitationsbølgesignaler fra flere supermassive sorte hul-fusioner – beskrevet som en stokastisk baggrund for gravitationsbølger – har mere lovende for forståelsen af universet end at detektere en enkelt bølge fra et enkelt sort hul binær. kollision.
"Hvert signal er som en tone, og vi er ikke kun efter en af disse toner - vi vil gerne høre hele koret," sagde han. "Vi ønsker at høre det kollektive kor af alle de supermassive sorte hul-binære filer, der smelter sammen i universet."
Supermassive sorte huller er den største type sorte huller, millioner til milliarder af gange solens masse, og de befinder sig i galaksernes centre.
NANOGrav-forskere siger, at fremtidige undersøgelser af de signaler, supermassive sorte huller sender ud, vil gøre det muligt for forskere at se gravitationsbølgeuniverset gennem et nyt vindue, hvilket giver indsigt i titaniske sorte huller, der smelter sammen i centrene af fjerne galakser og potentielt ind i andre eksotiske lavkilder -frekvente gravitationsbølger.
"Dette er kun begyndelsen på vores arbejde," sagde Siemens.
Kilde: Oregon State University
