Zwaartekrachtgolven, rimpelingen in het weefsel van tijd-ruimte die meer dan een eeuw geleden door Albert Einstein werden voorspeld, doordringen het universum met lage frequenties, volgens een meerjarig project van de National Science Foundation onder leiding van wetenschappers van de Oregon State University.
Pulsar-timingarray, zwaartekrachtgolven. Afbeelding met dank aan NANOGrav
De bevindingen verschijnen in een verzameling van vier artikelen die zijn geschreven door onderzoekers van het NANOGrav Physics Frontier Center, mede geleid door Xavier Siemens, hoogleraar natuurkunde aan het OSU College of Science.
Bewijs van de zwaartekrachtgolven, waarvan de oscillaties worden gemeten in jaren en decennia, werd deze week gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters.
"In de voortdurende zoektocht om menselijke kennis en begrip te vergroten, is dit een heel belangrijke stap op weg", zei Siemens.
NANOGrav, wat staat voor Noord-Amerikaans Nanohertz-observatorium voor zwaartekrachtgolven, is een internationale samenwerking van bijna 200 astrofysica-onderzoekers wiens missie het is om radiopulsar-timing te gebruiken om te zoeken naar laagfrequente zwaartekrachtgolven.
Xavier Siemens, links, en Jeffrey Hazboun van het OSU College of Science.
Het detecteren van een "koor" van laagfrequente zwaartekrachtgolven, zoals NANOGrav heeft gedaan, is een sleutel tot het ontrafelen van de mysteries van hoe structuren in de kosmos worden gevormd, zei OSU-astrofysicus Jeff Hazboun.
"We hebben dit nieuwe spectrumgebied geopend voor zwaartekrachtgolven", zei Hazboun. "We hebben laagfrequente golven gezien, uit een heel ander deel van het spectrum, wat ons vertelt dat ze een alomtegenwoordig natuurkundig fenomeen zijn en dat we ze overal kunnen zoeken."
Zwaartekrachtsgolven werden voor het eerst waargenomen in 2015 door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, of LIGO.
De ontdekking van die golven, met frequenties van ongeveer 100 cycli per seconde, was een mijlpaal in de natuurkunde en astronomie. Het bevestigde een van de belangrijkste voorspellingen van Einsteins relativiteitstheorie en leverde de oprichters van LIGO een Nobelprijs voor natuurkunde op.
Pulsars zijn de snel ronddraaiende overblijfselen van massieve sterren die explodeerden als supernova's. Ze zenden met extreme regelmaat pulsen van radiogolven uit, en een groep daarvan staat bekend als een pulsar timing array of PTA.
Siemens zei dat achtenzestig pulsars werden gebruikt om bewijs te verzamelen dat het Melkwegstelsel overspoeld wordt door een zee van laagfrequente zwaartekrachtgolven.
Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1915 voorspelde hoe zwaartekrachtgolven pulsarsignalen zouden moeten beïnvloeden: door het weefsel van tijd-ruimte uit te rekken en samen te drukken, zouden zwaartekrachtgolven de timing van elke puls op een voorspelbare manier moeten veranderen, waardoor sommige pulsen worden vertraagd en andere worden versneld.
"Het grote aantal pulsars dat in de NANOGrav-analyse is gebruikt, heeft ons in staat gesteld om te zien wat volgens ons de eerste tekenen zijn van het correlatiepatroon dat wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie", aldus Siemens. "We kunnen die pulsars gebruiken als klokken die zich door de lucht verspreiden, en we kunnen zien hoe het tikken van de klokken verandert door zwaartekrachtgolven die door ons sterrenstelsel gaan."
NANOGrav begon in 2007 en werd acht jaar later gelanceerd als een Physics Frontier Center met een subsidie van $ 14.5 miljoen van de National Science Foundation toen Siemens aan de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee werkte.
Siemens kwam in 2019 bij OSU en twee jaar later kende de NSF NANOGrav een extra $ 17 miljoen toe over een periode van vijf jaar om te zoeken naar zwaartekrachtgolfsignalen met de Green Bank Telescope in West Virginia, de Very Large Array in New Mexico en het Arecibo Observatory in Puerto Rico.
Siemens zei dat OSU jaarlijks ongeveer $ 600,000 aan NANOGrav-financiering ontvangt, waarbij data-analyse de primaire rol van Oregon State is naast projectleiderschap en administratie.
NANOGrav, mede geregisseerd door Maura McLaughlin, een astronoom aan de West Virginia University, combineert de inspanningen van onderzoekers van 18 universiteiten, waaronder ongeveer 20 afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten aan de staat Oregon.
"Zoeken naar zwaartekrachtgolven is als het leggen van een puzzel: iedereen heeft zijn eigen stukje, maar ze passen allemaal in elkaar", zegt Phia Morton van Bend, een senior hoofdvak in toegepaste natuurkunde en nucleaire engineering. “Het is een algemene misvatting dat wetenschappelijke doorbraken afkomstig zijn van een eenzaam genie. Integendeel, grootschalige wetenschappelijke projecten vereisen enorme hoeveelheden samenwerking en voor alle betrokkenen om te geloven in de doelen van de groep.”
Morton en andere OSU-studenten dragen bij door te zoeken naar nieuwe pulsars om toe te voegen aan de array van NANOGrav; hoe meer pulsars er tot haar beschikking staan, hoe gevoeliger de detectie van zwaartekrachtgolven kan zijn, legt ze uit.
"Pulsars zijn eigenlijk erg zwakke radiobronnen, dus we hebben duizenden uren per jaar nodig op 's werelds grootste telescopen om dit experiment uit te voeren," zei McLaughlin. "Deze resultaten zijn mogelijk gemaakt door de voortdurende toewijding van de National Science Foundation aan deze uitzonderlijk gevoelige radioobservatoria."
Onderzoekers van LIGO, ook een door NSF gefinancierde internationale samenwerking, ontdekten in 2015 zwaartekrachtgolven die werden geproduceerd door de botsing van twee zwarte gaten met behulp van de dubbele LIGO-interferometers in Livingston, Louisiana, en Hanford, Washington.
De zwaartekrachtgolven die kunnen worden waargenomen door LIGO, gecreëerd door dat soort "zwarte gat-dubbelsterren", hebben frequenties van ongeveer 100 hertz, zei Hazboun.
"NANOgrav zoekt naar zwaartekrachtgolven met frequenties die 11 ordes van grootte lager zijn dan die welke LIGO detecteert," zei hij.
Siemens legt uit dat het gebruik van een PTA om een koor van zwaartekrachtgolfsignalen van meerdere samensmeltingen van superzware zwarte gaten te detecteren - beschreven als een stochastische achtergrond van zwaartekrachtgolven - meer veelbelovend is voor het begrijpen van het universum dan het detecteren van een enkele golf van een enkel zwart gat binair getal botsing.
"Elk signaal is als een noot, en we willen niet slechts één van deze noten - we willen het hele koor horen", zei hij. "We willen het collectieve refrein horen van alle superzware dubbelsterren van zwarte gaten die in het universum samensmelten."
Superzware zwarte gaten zijn het grootste type zwarte gaten, miljoenen tot miljarden keren de massa van de zon, en ze bevinden zich in de centra van sterrenstelsels.
NANOGrav-onderzoekers zeggen dat toekomstige studies van de signalen die superzware zwarte gaten uitzenden wetenschappers in staat zullen stellen om het zwaartekrachtgolfuniversum door een nieuw venster te bekijken, wat inzicht biedt in gigantische zwarte gaten die samensmelten in de centra van verre sterrenstelsels en mogelijk in andere exotische bronnen van lage -frequentie gravitatiegolven.
"Dit is nog maar het begin van ons werk", zei Siemens.
Bron: Oregon State University
