Гравітаційні хвиліЗгідно з багаторічним проектом Національного наукового фонду під керівництвом вчених Університету штату Орегон, хвилі в тканині простору-часу, передбачені Альбертом Ейнштейном більше століття тому, пронизують Всесвіт на низьких частотах.
Матрица пульсарів, гравітаційні хвилі. Зображення надано NANOGrav
Висновки з’явилися в збірці з чотирьох статей, авторами яких є дослідники з NANOGrav Physics Frontier Center під керівництвом Ксав’єра Сіменса, професора фізики Коледжу наук OSU.
Докази гравітаційних хвиль, чиї коливання вимірюються роками та десятиліттями, були опубліковані цього тижня в The Astrophysical Journal Letters.
«У постійному прагненні вдосконалити людські знання та розуміння, це дійсно важливий крок на цьому шляху», — сказав Siemens.
НАНОГрав, що означає Північноамериканська наногерцева обсерваторія гравітаційних хвиль, є міжнародним співробітництвом майже 200 дослідників астрофізики, місія яких полягає у використанні радіопульсарного часу для пошуку низькочастотних гравітаційних хвиль.
Ксав'є Сіменс, ліворуч, і Джеффрі Хазбун з Наукового коледжу OSU.
Виявлення «хору» низькочастотних гравітаційних хвиль, як це зробив NANOGrav, є ключем до розкриття таємниць того, як утворюються структури в космосі, сказав астрофізик OSU Джефф Хазбун.
«Ми відкрили цю нову область спектру для гравітаційних хвиль», — сказав Хазбун. «Ми бачили низькочастотні хвилі з абсолютно іншої частини спектру, що говорить нам, що вони є повсюдним фізичним явищем і що ми можемо шукати їх будь-де».
Гравітаційні хвилі вперше спостерігали в 2015 році Обсерваторією гравітаційних хвиль лазерного інтерферометра або LIGO.
Відкриття цих хвиль із частотою близько 100 циклів на секунду стало важливою подією у фізиці й астрономії. Це підтвердило одне з головних передбачень теорії відносності Ейнштейна і принесло засновникам LIGO Нобелівську премію з фізики.
Пульсари - це залишки масивних зірок, що швидко обертаються, які вибухнули як наднові. Вони надсилають імпульси радіохвиль із надзвичайною регулярністю, і група з них відома як тактовий масив пульсарів, або PTA.
Сіменс заявив, що шістдесят вісім пульсарів було використано для збору доказів того, що галактика Чумацький Шлях затоплена морем низькочастотних гравітаційних хвиль.
Загальна теорія відносності Ейнштейна 1915 року передбачила, як гравітаційні хвилі мають впливати на сигнали пульсарів: розтягуючи та стискаючи тканину простору-часу, гравітаційні хвилі мають змінювати час кожного імпульсу передбачуваним чином, затримуючи одні імпульси та прискорюючи інші.
«Велика кількість пульсарів, використаних в аналізі NANOGrav, дозволила нам побачити те, що, на нашу думку, є першими ознаками моделі кореляції, передбаченої загальною теорією відносності», — сказав Сіменс. «Ми можемо використовувати ці пульсари як годинники, розкидані по небу, і ми можемо побачити, як цокання годинників змінюється від гравітаційних хвиль, що проходять через нашу галактику».
NANOGrav розпочався в 2007 році, а через вісім років був запущений як Physics Frontier Center із грантом у розмірі 14.5 мільйонів доларів від Національного наукового фонду, коли Siemens працював в Університеті Вісконсіна-Мілуокі.
Siemens приєднався до OSU у 2019 році, а через два роки NSF виділила NANOGrav додаткові 17 мільйонів доларів США протягом п’яти років на пошук сигналів гравітаційних хвиль за допомогою телескопа Green Bank у Західній Вірджинії, Very Large Array у Нью-Мексико та обсерваторії Аресібо в Пуерто-Ріко.
За словами Siemens, OSU отримує близько 600,000 XNUMX доларів США щорічно у вигляді фінансування NANOGrav, причому аналіз даних є основною роллю штату Орегон на додаток до керівництва та адміністрування проекту.
Співкерівник Маури Маклафлін, астронома з Університету Західної Вірджинії, NANOGrav об’єднує зусилля дослідників з 18 університетів, у тому числі приблизно 20 аспірантів і студентів у штаті Орегон.
«Пошук гравітаційних хвиль — це все одно, що складати пазл: у кожного є своя частина, але всі вони підходять разом», — сказала Фіа Мортон з Бенда, старша спеціалістка прикладної фізики та ядерної інженерії. «Це поширена помилкова думка, що наукові відкриття приходять від самотнього генія. Навпаки, великомасштабні наукові проекти вимагають величезної співпраці та того, щоб усі учасники вірили в цілі групи».
Мортон та інші студенти OSU сприяють пошуку нових пульсарів для додавання до масиву NANOGrav; чим більше пульсарів у його розпорядженні, тим чутливішим може бути виявлення гравітаційних хвиль, пояснює вона.
«Пульсари насправді є дуже слабкими радіоджерелами, тому нам потрібні тисячі годин на рік на найбільших у світі телескопах, щоб провести цей експеримент», — сказав Маклафлін. «Ці результати стали можливими завдяки постійній прихильності Національного наукового фонду до цих надзвичайно чутливих радіообсерваторій».
Дослідники з LIGO, також фінансованого NSF міжнародного співробітництва, у 2015 році виявили гравітаційні хвилі, створені зіткненням двох чорних дір, використовуючи подвійні інтерферометри LIGO у Лівінгстоні, Луїзіана, та Хенфорді, Вашингтон.
Гравітаційні хвилі, які може спостерігати LIGO, створені цими типами «подвійних систем чорної діри», мають частоту близько 100 герц, сказав Хазбун.
«NANOgrav шукає гравітаційні хвилі з частотами на 11 порядків нижче тих, які виявляє LIGO», — сказав він.
Сіменс пояснює, що використання PTA для виявлення хору сигналів гравітаційної хвилі від злиття кількох надмасивних чорних дір, яке описується як стохастичний фон гравітаційних хвиль, є більш перспективним для розуміння Всесвіту, ніж виявлення однієї хвилі від однієї подвійної системи чорної діри. зіткнення.
«Кожен сигнал схожий на ноту, і ми шукаємо не лише одну з цих нот – ми хочемо почути весь хор», – сказав він. «Ми хочемо почути колективний хор усіх надмасивних подвійних чорних дір, які зливаються у Всесвіті».
Надмасивні чорні діри є найбільшим типом чорних дір, маса яких у мільйони до мільярдів разів перевищує масу Сонця, і вони розташовані в центрах галактик.
Дослідники NANOGrav кажуть, що майбутні дослідження сигналів, які надсилають надмасивні чорні діри, дозволять вченим побачити всесвіт гравітаційних хвиль через нове вікно, пропонуючи розуміння титанічних чорних дір, що зливаються в центрах далеких галактик і, можливо, в інших екзотичних джерелах низького рівня. -частота гравітаційних хвиль.
«Це лише початок нашої роботи», — сказав Siemens.
джерело: Університет штату Орегон
