Gravitasjonsbølger, krusninger i stoffet av tid-rom spådd av Albert Einstein for mer enn et århundre siden, gjennomsyrer universet ved lave frekvenser, ifølge et flerårig National Science Foundation-prosjekt ledet av Oregon State University-forskere.
Pulsar timing array, gravitasjonsbølger. Bilde med tillatelse fra NANOGrav
Funnene vises i en samling av fire artikler forfattet av forskere fra NANOGrav Physics Frontier Center med regi av Xavier Siemens, professor i fysikk ved OSU College of Science.
Bevis på gravitasjonsbølgene, hvis svingninger måles i år og tiår, ble publisert denne uken i The Astrophysical Journal Letters.
"I den konstante søken etter å fremme menneskelig kunnskap og forståelse, er dette et veldig viktig skritt på reisen," sa Siemens.
NANOGrav, som står for Nordamerikansk Nanohertz-observatorium for gravitasjonsbølger, er et internasjonalt samarbeid mellom nesten 200 astrofysikkforskere hvis oppgave er å bruke radiopulsar-timing for å søke etter lavfrekvente gravitasjonsbølger.
Xavier Siemens, venstre, og Jeffrey Hazboun fra OSU College of Science.
Å oppdage et "kor" av lavfrekvente gravitasjonsbølger, slik NANOGrav har gjort, er en nøkkel til å låse opp mysteriene om hvordan strukturer dannes i kosmos, sa OSU-astrofysiker Jeff Hazboun.
"Vi har åpnet dette nye spektrumområdet for gravitasjonsbølger," sa Hazboun. "Vi har sett lavfrekvente bølger, fra en helt annen del av spekteret, som forteller oss at de er et allestedsnærværende fysisk fenomen og at vi kan lete etter dem hvor som helst."
Gravitasjonsbølger ble først observert i 2015 av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eller LIGO.
Oppdagelsen av disse bølgene, med frekvenser på rundt 100 sykluser per sekund, var en milepæl i fysikk og astronomi. Den bekreftet en av hovedspådommene til Einsteins relativitetsteori og fikk en Nobelpris i fysikk for LIGOs grunnleggere.
Pulsarer er de raskt roterende restene av massive stjerner som eksploderte som supernovaer. De sender ut pulser av radiobølger med ekstrem regelmessighet, og en gruppe av dem er kjent som en pulsar timing array, eller PTA.
Siemens sa at sekstiåtte pulsarer ble brukt til å samle bevis på at Melkeveien er oversvømmet i et hav av lavfrekvente gravitasjonsbølger.
Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915 forutså hvordan gravitasjonsbølger skulle påvirke pulsarsignaler: Ved å strekke og klemme sammen stoffet i tid-rom, skulle gravitasjonsbølger endre tidspunktet for hver puls på en forutsigbar måte, og forsinke noen pulser mens andre fremskyndes.
"Det store antallet pulsarer brukt i NANOGrav-analysen har gjort oss i stand til å se det vi tror er de første tegnene på korrelasjonsmønsteret som er forutsagt av generell relativitet," sa Siemens. "Vi kan bruke disse pulsarene som klokker spredt utover himmelen, og vi kan se hvordan klokkenes tikk endres fra gravitasjonsbølger som passerer gjennom galaksen vår."
NANOGrav startet i 2007 og ble åtte år senere lansert som et Physics Frontier Center med et stipend på 14.5 millioner dollar fra National Science Foundation da Siemens var ved University of Wisconsin-Milwaukee.
Siemens sluttet seg til OSU i 2019 og to år senere tildelte NSF NANOGrav ytterligere 17 millioner dollar over fem år for å søke etter gravitasjonsbølgesignaler med Green Bank Telescope i West Virginia, Very Large Array i New Mexico og Arecibo Observatory i Puerto Rico.
Siemens sa at OSU mottar rundt $600,000 XNUMX årlig i NANOGrav-finansiering, med dataanalyse som Oregon State sin primære rolle i tillegg til prosjektledelse og administrasjon.
Medregissert av Maura McLaughlin, en astronom ved West Virginia University, kombinerer NANOGrav innsatsen til forskere ved 18 universiteter, inkludert omtrent 20 doktorgrads- og undergraduate-studenter ved Oregon State.
"Å lete etter gravitasjonsbølger er som å sette sammen et puslespill: Alle har sin egen brikke, men de passer alle sammen," sa Phia Morton fra Bend, en senior hovedfag i anvendt fysikk og kjernefysikk. "Det er en vanlig misforståelse at vitenskapelige gjennombrudd kommer fra et ensomt geni. Tvert imot, store vitenskapelige prosjekter krever enorme mengder samarbeid og at alle involverte skal tro på gruppens mål.»
Morton og andre OSU-studenter bidrar ved å søke etter nye pulsarer å legge til NANOGravs array; jo flere pulsarer den har til rådighet, jo mer følsom kan gravitasjonsbølgedeteksjonen være, forklarer hun.
"Pulsarer er faktisk veldig svake radiokilder, så vi trenger tusenvis av timer i året på verdens største teleskoper for å utføre dette eksperimentet," sa McLaughlin. "Disse resultatene er muliggjort gjennom National Science Foundations fortsatte engasjement for disse eksepsjonelt sensitive radioobservatoriene."
Forskere med LIGO, også et NSF-finansiert internasjonalt samarbeid, oppdaget i 2015 gravitasjonsbølger produsert av kollisjonen av to sorte hull ved å bruke de to LIGO-interferometrene i Livingston, Louisiana og Hanford, Washington.
Gravitasjonsbølgene som kan observeres av LIGO, skapt av disse typene "black hole binærer", har frekvenser på rundt 100 hertz, sa Hazboun.
"NANOgrav søker etter gravitasjonsbølger med frekvenser 11 størrelsesordener under de LIGO oppdager," sa han.
Siemens forklarer at bruk av en PTA for å oppdage et kor av gravitasjonsbølgesignaler fra flere supermassive svarte hull-sammenslåinger – beskrevet som en stokastisk bakgrunn av gravitasjonsbølger – gir mer løfte for å forstå universet enn å detektere en enkelt bølge fra et enkelt svart hull binært kollisjon.
"Hvert signal er som et notat, og vi er ikke bare ute etter en av disse notatene - vi vil høre hele koret," sa han. "Vi ønsker å høre det kollektive refrenget til alle de supermassive svart hullbinariene som smelter sammen i universet."
Supermassive sorte hull er den største typen sorte hull, millioner til milliarder av ganger solens masse, og de ligger i sentrum av galakser.
NANOGrav-forskere sier at fremtidige studier av signalene som supermassive sorte hull sender ut vil gjøre det mulig for forskere å se gravitasjonsbølgeuniverset gjennom et nytt vindu, og gi innsikt i titaniske sorte hull som smelter sammen i sentrum av fjerne galakser og potensielt inn i andre eksotiske kilder med lavt nivå. -frekvente gravitasjonsbølger.
"Dette er bare begynnelsen på arbeidet vårt," sa Siemens.
kilde: Oregon State University
