Гравитационные волныСогласно многолетнему проекту Национального научного фонда, возглавляемому учеными Орегонского государственного университета, рябь в ткани пространства-времени, предсказанная Альбертом Эйнштейном более века назад, пронизывает вселенную на низких частотах.
Временная решетка пульсара, гравитационные волны. Изображение предоставлено НАНОграв
Результаты представлены в сборнике из четырех статей, написанных исследователями из Центра передовых физических технологий NANOGrav под руководством Ксавьера Сименса, профессора физики в Научном колледже ОГУ.
Доказательства существования гравитационных волн, колебания которых измеряются годами и десятилетиями, были опубликованы на этой неделе в The Astrophysical Journal Letters.
«В постоянном стремлении к совершенствованию человеческих знаний и понимания это действительно важный шаг на пути», — сказал Сименс.
НАНОГрав, что означает Североамериканская наногерцевая обсерватория гравитационных волн, представляет собой международное сотрудничество почти 200 исследователей-астрофизиков, чья миссия использует синхронизацию радиопульсаров для поиска низкочастотных гравитационных волн.
Ксавьер Сименс (слева) и Джеффри Хазбоун из Научного колледжа ОГУ.
По словам астрофизика ОГУ Джеффа Хазбоуна, обнаружение «хора» низкочастотных гравитационных волн, как это сделал НАНОГрав, является ключом к раскрытию тайн того, как формируются структуры в космосе.
«Мы открыли эту новую область спектра для гравитационных волн», — сказал Хазбоун. «Мы видели низкочастотные волны из совершенно другой части спектра, что говорит нам о том, что они являются вездесущим физическим явлением и что мы можем искать их где угодно».
Гравитационные волны впервые наблюдались в 2015 году лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией или LIGO.
Открытие этих волн с частотой около 100 циклов в секунду стало важным событием в физике и астрономии. Это подтвердило одно из главных предсказаний теории относительности Эйнштейна и принесло Нобелевскую премию по физике основателям LIGO.
Пульсары — это быстро вращающиеся остатки массивных звезд, взорвавшихся как сверхновые. Они посылают импульсы радиоволн с чрезвычайной регулярностью, и группа из них известна как синхронизирующая решетка пульсара, или PTA.
Сименс сказал, что шестьдесят восемь пульсаров использовались для сбора доказательств того, что галактика Млечный Путь омывается морем низкочастотных гравитационных волн.
Общая теория относительности Эйнштейна 1915 года предсказывала, как гравитационные волны должны влиять на сигналы пульсаров: растягивая и сжимая ткань пространства-времени, гравитационные волны должны изменять время каждого импульса предсказуемым образом, задерживая одни импульсы и ускоряя другие.
«Большое количество пульсаров, использованных в анализе NANOGrav, позволило нам увидеть то, что мы считаем первыми признаками корреляционной картины, предсказанной общей теорией относительности», — сказал Сименс. «Мы можем использовать эти пульсары в качестве часов, разбросанных по небу, и мы можем увидеть, как тиканье часов меняется от гравитационных волн, проходящих через нашу галактику».
НАНОГрав начал свою работу в 2007 году, а восемь лет спустя был запущен как передовой физический центр с грантом в размере 14.5 миллионов долларов от Национального научного фонда, когда Сименс работал в Университете Висконсин-Милуоки.
Сименс присоединился к OSU в 2019 году, а два года спустя NSF выделил НАНОГрав дополнительно 17 миллионов долларов в течение пяти лет для поиска сигналов гравитационных волн с помощью телескопа Грин-Бэнк в Западной Вирджинии, Очень большого массива в Нью-Мексико и обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико.
Siemens сообщила, что OSU ежегодно получает около 600,000 XNUMX долларов США в виде финансирования НАНОграв, при этом анализ данных является основной ролью штата Орегон в дополнение к руководству проектом и администрированию.
Совместно с Маурой Маклафлин, астрономом из Университета Западной Вирджинии, НАНОграв объединяет усилия исследователей из 18 университетов, в том числе около 20 аспирантов и студентов в штате Орегон.
«Искать гравитационные волны — это как собирать пазл: у каждого есть своя часть, но все они подходят друг другу», — говорит Фиа Мортон из Бенда, старший специалист по прикладной физике и ядерной инженерии. «Распространенное заблуждение, что научные прорывы исходят от гения-одиночки. Напротив, крупномасштабные научные проекты требуют огромного сотрудничества и чтобы все участники верили в цели группы».
Мортон и другие студенты ОГУ вносят свой вклад в поиск новых пульсаров для добавления в массив НАНОграв; Чем больше пульсаров в его распоряжении, тем более чувствительным может быть обнаружение гравитационных волн, объясняет она.
«Пульсары на самом деле являются очень слабыми источниками радиоизлучения, поэтому для проведения этого эксперимента нам требуются тысячи часов в год на крупнейших в мире телескопах», — сказал Маклафлин. «Эти результаты стали возможными благодаря постоянной приверженности Национального научного фонда этим исключительно чувствительным радиообсерваториям».
Исследователи из LIGO, также международного сотрудничества, финансируемого NSF, в 2015 году обнаружили гравитационные волны, возникающие в результате столкновения двух черных дыр, с помощью двойных интерферометров LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон.
По словам Хазбуна, гравитационные волны, которые можно наблюдать с помощью LIGO, создаваемые этими типами «двойных черных дыр», имеют частоту около 100 герц.
«NANOgrav ищет гравитационные волны с частотами на 11 порядков ниже тех, которые обнаруживает LIGO», — сказал он.
Сименс объясняет, что использование PTA для обнаружения хора сигналов гравитационных волн от множественных слияний сверхмассивных черных дыр, описываемых как стохастический фон гравитационных волн, дает больше возможностей для понимания Вселенной, чем обнаружение одной волны от одной двойной двойной черной дыры. столкновение.
«Каждый сигнал похож на ноту, и мы ищем не только одну из этих нот — мы хотим услышать весь хор», — сказал он. «Мы хотим услышать коллективный хор всех сверхмассивных двойных черных дыр, которые сливаются во Вселенной».
Сверхмассивные черные дыры — это самый большой тип черных дыр, масса которых в миллионы и миллиарды раз превышает массу Солнца, и они находятся в центрах галактик.
Исследователи НАНОграв говорят, что будущие исследования сигналов, посылаемых сверхмассивными черными дырами, позволят ученым увидеть гравитационно-волновую вселенную через новое окно, предлагая понимание гигантских черных дыр, сливающихся в центрах далеких галактик, и, возможно, других экзотических источников низких частот. -частотные гравитационные волны.
«Это только начало нашей работы», — сказал Сименс.
источник: Университет штата Орегон
