Βαρυτικά κύματα, κυματισμοί στον ιστό του χρόνου-χώρου που είχε προβλέψει ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πριν από περισσότερο από έναν αιώνα, διαπερνούν το σύμπαν σε χαμηλές συχνότητες, σύμφωνα με ένα πολυετές έργο του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών με επικεφαλής επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Όρεγκον.
Συστοιχία χρονισμού πάλσαρ, βαρυτικά κύματα. Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά του NANOGrav
Τα ευρήματα εμφανίζονται σε μια συλλογή τεσσάρων εργασιών που συντάχθηκαν από ερευνητές από το NANOGrav Physics Frontier Centre που συνδιευθύνεται από τον Xavier Siemens, καθηγητή φυσικής στο Κολέγιο Επιστημών του OSU.
Οι αποδείξεις των βαρυτικών κυμάτων, των οποίων οι ταλαντώσεις μετρώνται σε χρόνια και δεκαετίες, δημοσιεύτηκαν αυτή την εβδομάδα στο The Astrophysical Journal Letters.
«Στη συνεχή αναζήτηση για την προώθηση της ανθρώπινης γνώσης και κατανόησης, αυτό είναι ένα πραγματικά σημαντικό βήμα στο ταξίδι», είπε η Siemens.
NANOGrav, που σημαίνει Βορειοαμερικανικό Παρατηρητήριο Nanohertz για Βαρυτικά Κύματα, είναι μια διεθνής συνεργασία σχεδόν 200 ερευνητών αστροφυσικής των οποίων η αποστολή χρησιμοποιεί χρονομέτρηση ραδιοπάλσαρ για αναζήτηση βαρυτικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας.
Ο Xavier Siemens, αριστερά, και ο Jeffrey Hazboun του Κολεγίου Επιστημών του OSU.
Η ανίχνευση ενός «χορού» βαρυτικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας, όπως έχει κάνει ο NANOGrav, είναι το κλειδί για να ξεκλειδωθούν τα μυστήρια του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται οι δομές στον κόσμο, δήλωσε ο αστροφυσικός του OSU, Jeff Hazboun.
«Ανοίξαμε αυτή τη νέα περιοχή φάσματος για βαρυτικά κύματα», είπε ο Hazboun. «Έχουμε δει κύματα χαμηλής συχνότητας, από ένα εντελώς διαφορετικό μέρος του φάσματος, που μας λέει ότι είναι ένα πανταχού παρόν φυσικό φαινόμενο και ότι μπορούμε να τα αναζητήσουμε οπουδήποτε».
Τα βαρυτικά κύματα παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 2015 από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ ή LIGO.
Η ανακάλυψη αυτών των κυμάτων, με συχνότητες περίπου 100 κύκλων ανά δευτερόλεπτο, ήταν ένα γεγονός ορόσημο στη φυσική και την αστρονομία. Επιβεβαίωσε μια από τις κύριες προβλέψεις της θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν και κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για τους ιδρυτές του LIGO.
Τα πάλσαρ είναι τα ταχέως περιστρεφόμενα υπολείμματα τεράστιων αστεριών που εξερράγησαν ως σουπερνόβα. Εκπέμπουν παλμούς ραδιοκυμάτων με εξαιρετική κανονικότητα και μια ομάδα από αυτά είναι γνωστή ως συστοιχία χρονισμού πάλσαρ ή PTA.
Η Siemens είπε ότι εξήντα οκτώ πάλσαρ χρησιμοποιήθηκαν για τη συλλογή αποδεικτικών στοιχείων ότι ο γαλαξίας του Γαλαξία είναι πλημμυρισμένος σε μια θάλασσα βαρυτικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας.
Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν το 1915 προέβλεψε πώς τα βαρυτικά κύματα θα πρέπει να επηρεάζουν τα σήματα των πάλσαρ: Τεντώνοντας και πιέζοντας το ύφασμα του χρόνου-χώρου, τα βαρυτικά κύματα θα πρέπει να αλλάζουν το χρόνο κάθε παλμού με προβλέψιμο τρόπο, καθυστερώντας μερικούς παλμούς ενώ επιταχύνοντας άλλους.
«Ο μεγάλος αριθμός πάλσαρ που χρησιμοποιήθηκε στην ανάλυση NANOGrav μας επέτρεψε να δούμε ποια πιστεύουμε ότι είναι τα πρώτα σημάδια του προτύπου συσχέτισης που προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα», είπε η Siemens. «Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα πάλσαρ ως ρολόγια απλωμένα στον ουρανό και μπορούμε να δούμε πώς αλλάζει το χτύπημα των ρολογιών από τα βαρυτικά κύματα που διέρχονται από τον γαλαξία μας».
Το NANOGrav ξεκίνησε το 2007 και οκτώ χρόνια αργότερα ξεκίνησε ως Physics Frontier Centre με επιχορήγηση 14.5 εκατομμυρίων δολαρίων από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών όταν η Siemens ήταν στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin-Milwaukee.
Η Siemens εντάχθηκε στο OSU το 2019 και δύο χρόνια αργότερα το NSF χορήγησε στον NANOGrav επιπλέον 17 εκατομμύρια δολάρια σε πέντε χρόνια για να αναζητήσει σήματα βαρυτικών κυμάτων με το τηλεσκόπιο Green Bank στη Δυτική Βιρτζίνια, το Very Large Array στο Νέο Μεξικό και το Παρατηρητήριο Arecibo στο Πουέρτο Ρίκο.
Η Siemens είπε ότι η OSU λαμβάνει περίπου 600,000 $ ετησίως σε χρηματοδότηση NANOGrav, με την ανάλυση δεδομένων να είναι ο πρωταρχικός ρόλος της Πολιτείας του Όρεγκον εκτός από την ηγεσία και τη διοίκηση του έργου.
Σε συν-σκηνοθεσία της Maura McLaughlin, αστρονόμου στο Πανεπιστήμιο της Δυτικής Βιρτζίνια, το NANOGrav συνδυάζει τις προσπάθειες ερευνητών σε 18 πανεπιστήμια, συμπεριλαμβανομένων περίπου 20 μεταπτυχιακών και προπτυχιακών φοιτητών στην Πολιτεία του Όρεγκον.
«Η αναζήτηση για βαρυτικά κύματα είναι σαν να συνθέτεις ένα παζλ: Ο καθένας έχει το δικό του κομμάτι, αλλά όλα ταιριάζουν μεταξύ τους», είπε η Phia Morton από το Bend, ανώτερη ειδικότητα στην εφαρμοσμένη φυσική και την πυρηνική μηχανική. «Είναι μια κοινή παρανόηση ότι οι επιστημονικές ανακαλύψεις προέρχονται από μια μοναχική ιδιοφυΐα. Αντίθετα, τα μεγάλης κλίμακας επιστημονικά έργα απαιτούν τεράστιες ποσότητες συνεργασίας και για όλους τους εμπλεκόμενους να πιστεύουν στους στόχους της ομάδας».
Ο Morton και άλλοι προπτυχιακοί φοιτητές του OSU συνεισφέρουν αναζητώντας νέα πάλσαρ για προσθήκη στη συστοιχία του NANOGrav. Όσο περισσότερα πάλσαρ έχει στη διάθεσή του, τόσο πιο ευαίσθητη μπορεί να είναι η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, εξηγεί.
«Τα πάλσαρ είναι στην πραγματικότητα πολύ αμυδρές ραδιοφωνικές πηγές, επομένως χρειαζόμαστε χιλιάδες ώρες το χρόνο στα μεγαλύτερα τηλεσκόπια του κόσμου για να πραγματοποιήσουμε αυτό το πείραμα», είπε ο ΜακΛάφλιν. «Αυτά τα αποτελέσματα γίνονται δυνατά μέσω της συνεχούς δέσμευσης του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών σε αυτά τα εξαιρετικά ευαίσθητα ραδιοπαρατηρητήρια».
Ερευνητές με το LIGO, επίσης μια διεθνή συνεργασία που χρηματοδοτείται από το NSF, το 2015 εντόπισαν βαρυτικά κύματα που παράγονται από τη σύγκρουση δύο μαύρων τρυπών χρησιμοποιώντας τα δίδυμα συμβολόμετρα LIGO στο Livingston της Λουιζιάνα και στο Hanford της Ουάσιγκτον.
Τα βαρυτικά κύματα που μπορούν να παρατηρηθούν από το LIGO, που δημιουργούνται από αυτούς τους τύπους «δυαδικών γραμμών μαύρης τρύπας», έχουν συχνότητες περίπου 100 hertz, είπε ο Hazboun.
«Το NANOgrav αναζητά βαρυτικά κύματα με συχνότητες 11 τάξεων μεγέθους κάτω από αυτές που ανιχνεύει το LIGO», είπε.
Η Siemens εξηγεί ότι η χρήση ενός PTA για την ανίχνευση ενός πλήθους σημάτων βαρυτικών κυμάτων από πολλαπλές συγχωνεύσεις μαύρης τρύπας - που περιγράφεται ως στοχαστικό υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων - υπόσχεται περισσότερη κατανόηση του σύμπαντος από την ανίχνευση ενός μεμονωμένου κύματος από μια ενιαία δυαδική μαύρη τρύπα σύγκρουση.
«Κάθε σήμα είναι σαν νότα και δεν ακολουθούμε μία από αυτές τις σημειώσεις - θέλουμε να ακούσουμε ολόκληρη τη χορωδία», είπε. «Θέλουμε να ακούσουμε τη συλλογική χορωδία όλων των υπερ-μαζικών δυαδικών μαύρων τρυπών που συγχωνεύονται στο σύμπαν».
Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι ο μεγαλύτερος τύπος μαύρων τρυπών, εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια φορές η μάζα του ήλιου, και βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών.
Οι ερευνητές του NANOGrav λένε ότι μελλοντικές μελέτες των σημάτων που στέλνουν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να δουν το σύμπαν των βαρυτικών κυμάτων μέσα από ένα νέο παράθυρο, προσφέροντας εικόνα για τιτανικές μαύρες τρύπες που συγχωνεύονται στα κέντρα μακρινών γαλαξιών και ενδεχομένως σε άλλες εξωτικές πηγές χαμηλού - βαρυτικά κύματα συχνότητας.
«Αυτή είναι μόνο η αρχή της δουλειάς μας», είπε η Siemens.
πηγή: Oregon State University
