„Chorus“ von Gravitationswellen gefunden

GravitationswellenLaut einem mehrjährigen Projekt der National Science Foundation unter der Leitung von Wissenschaftlern der Oregon State University durchdringen die von Albert Einstein vor mehr als einem Jahrhundert vorhergesagten Wellen im Zeit-Raum-Gefüge das Universum mit niedrigen Frequenzen.

Pulsar-Timing-Array, Gravitationswellen. Bild mit freundlicher Genehmigung von NANOGrav

Die Ergebnisse erscheinen in einer Sammlung von vier Artikeln, die von Forschern des NANOGrav Physics Frontier Center unter der Co-Leitung von Xavier Siemens, Professor für Physik am OSU College of Science, verfasst wurden.

Beweise für die Gravitationswellen, deren Schwingungen in Jahren und Jahrzehnten gemessen werden, wurden diese Woche in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

„Im ständigen Bestreben, menschliches Wissen und Verständnis voranzutreiben, ist dies ein wirklich wichtiger Schritt auf dem Weg“, sagte Siemens.

NANOGrav, was für steht Nordamerikanisches Nanohertz-Observatorium für Gravitationswellenist eine internationale Zusammenarbeit von fast 200 Astrophysikforschern, deren Mission darin besteht, die Zeitmessung von Radiopulsaren zu nutzen, um nach niederfrequenten Gravitationswellen zu suchen.

Xavier Siemens (links) und Jeffrey Hazboun vom OSU College of Science.

Die Entdeckung eines „Chorus“ niederfrequenter Gravitationswellen, wie es NANOGrav getan hat, sei ein Schlüssel zur Entschlüsselung der Geheimnisse darüber, wie Strukturen im Kosmos entstehen, sagte OSU-Astrophysiker Jeff Hazboun.

„Wir haben diesen neuen Spektrumsbereich für Gravitationswellen erschlossen“, sagte Hazboun. „Wir haben niederfrequente Wellen aus einem völlig anderen Teil des Spektrums gesehen, was uns sagt, dass es sich um ein allgegenwärtiges physikalisches Phänomen handelt und dass wir überall nach ihnen suchen können.“

Gravitationswellen wurden erstmals 2015 vom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) beobachtet.

Die Entdeckung dieser Wellen mit Frequenzen von etwa 100 Zyklen pro Sekunde war ein Meilenstein in der Physik und Astronomie. Es bestätigte eine der wichtigsten Vorhersagen von Einsteins Relativitätstheorie und brachte den Gründern von LIGO den Nobelpreis für Physik ein.

Pulsare sind die sich schnell drehenden Überreste massereicher Sterne, die als Supernovae explodierten. Sie senden mit äußerster Regelmäßigkeit Radiowellenimpulse aus, und eine Gruppe von ihnen wird als Pulsar Timing Array (PTA) bezeichnet.

Siemens sagte, dass XNUMX Pulsare eingesetzt wurden, um Beweise dafür zu sammeln, dass die Milchstraße von einem Meer niederfrequenter Gravitationswellen überschwemmt wird.

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie von 1915 sagte voraus, wie Gravitationswellen Pulsarsignale beeinflussen würden: Durch Dehnung und Stauchung des Zeit-Raum-Gefüges sollten Gravitationswellen den Zeitpunkt jedes Pulses auf vorhersehbare Weise verändern und einige Pulse verzögern, während sie andere beschleunigen.

„Die große Anzahl der in der NANOGrav-Analyse verwendeten Pulsare hat es uns ermöglicht, die unserer Meinung nach ersten Anzeichen des von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Korrelationsmusters zu erkennen“, sagte Siemens. „Wir können diese Pulsare als Uhren nutzen, die sich über den Himmel ausbreiten, und wir können sehen, wie sich das Ticken der Uhren durch Gravitationswellen verändert, die durch unsere Galaxie laufen.“

NANOGrav wurde 2007 gegründet und acht Jahre später als Physics Frontier Center mit einem Zuschuss von 14.5 Millionen US-Dollar von der National Science Foundation ins Leben gerufen, als Siemens an der University of Wisconsin-Milwaukee war.

Siemens trat 2019 der OSU bei und zwei Jahre später gewährte die NSF NANOGrav über einen Zeitraum von fünf Jahren zusätzliche 17 Millionen US-Dollar für die Suche nach Gravitationswellensignalen mit dem Green Bank Telescope in West Virginia, dem Very Large Array in New Mexico und dem Arecibo-Observatorium in Puerto Rico.

Laut Siemens erhält die OSU jährlich etwa 600,000 US-Dollar an NANOGrav-Mitteln, wobei die Datenanalyse neben der Projektleitung und -verwaltung die Hauptaufgabe des Staates Oregon ist.

Unter der gemeinsamen Leitung von Maura McLaughlin, einer Astronomin an der West Virginia University, vereint NANOGrav die Bemühungen von Forschern an 18 Universitäten, darunter etwa 20 Doktoranden und Studenten der Oregon State.

„Die Suche nach Gravitationswellen ist wie das Zusammensetzen eines Puzzles: Jeder hat sein eigenes Teil, aber alle passen zusammen“, sagte Phia Morton aus Bend, eine Studentin im Hauptfach Angewandte Physik und Nukleartechnik. „Es ist ein weit verbreitetes Missverständnis, dass wissenschaftliche Durchbrüche von einem einsamen Genie stammen. Im Gegenteil, große wissenschaftliche Projekte erfordern ein enormes Maß an Zusammenarbeit und dass alle Beteiligten an die Ziele der Gruppe glauben.“

Morton und andere OSU-Studenten leisten ihren Beitrag, indem sie nach neuen Pulsaren suchen, die dem NANOGrav-Array hinzugefügt werden können. Je mehr Pulsare ihr zur Verfügung stünden, desto empfindlicher könne die Gravitationswellendetektion sein, erklärt sie.

„Pulsare sind tatsächlich sehr schwache Radioquellen, daher benötigen wir an den größten Teleskopen der Welt Tausende von Stunden pro Jahr, um dieses Experiment durchzuführen“, sagte McLaughlin. „Diese Ergebnisse werden durch das anhaltende Engagement der National Science Foundation für diese außergewöhnlich empfindlichen Radioobservatorien ermöglicht.“

Forscher von LIGO, ebenfalls eine von der NSF finanzierte internationale Zusammenarbeit, entdeckten 2015 mithilfe der beiden LIGO-Interferometer in Livingston, Louisiana, und Hanford, Washington, Gravitationswellen, die durch die Kollision zweier Schwarzer Löcher erzeugt wurden.

Die von LIGO beobachteten Gravitationswellen, die von solchen „Schwarzen-Loch-Doppelsternen“ erzeugt werden, haben Frequenzen von etwa 100 Hertz, sagte Hazboun.

„NANOgrav sucht nach Gravitationswellen mit Frequenzen, die 11 Größenordnungen unter denen liegen, die LIGO erfasst“, sagte er.

Siemens erklärt, dass die Verwendung eines PTA zur Erkennung eines Chors von Gravitationswellensignalen aus der Verschmelzung mehrerer supermassiver Schwarzer Löcher – beschrieben als stochastischer Hintergrund von Gravitationswellen – vielversprechender für das Verständnis des Universums ist als die Erkennung einer einzelnen Welle aus einem einzelnen Binärsystem von Schwarzen Löchern Kollision.

„Jedes Signal ist wie eine Note, und wir sind nicht nur hinter einer dieser Noten her – wir wollen den ganzen Chor hören“, sagte er. „Wir wollen den kollektiven Chor aller supermassiven Schwarzen-Loch-Binärdateien hören, die im Universum verschmelzen.“

Supermassereiche Schwarze Löcher sind die größte Art von Schwarzen Löchern, millionen- bis milliardenfach so groß wie die Masse der Sonne, und sie befinden sich in den Zentren von Galaxien.

NANOGrav-Forscher sagen, dass zukünftige Studien der Signale, die supermassereiche Schwarze Löcher aussenden, es Wissenschaftlern ermöglichen werden, das Gravitationswellenuniversum durch ein neues Fenster zu betrachten und Einblicke in gigantische Schwarze Löcher zu gewinnen, die in den Zentren entfernter Galaxien und möglicherweise in andere exotische Quellen niedriger Strahlung verschmelzen -Frequenzgravitationswellen.

„Das ist erst der Anfang unserer Arbeit“, sagte Siemens.

Quelle: Oregon State University