Πρωτοποριακά ευρήματα βαρυτικών κυμάτων υποδηλώνουν ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στρεβλώνουν συνεχώς τον χωρόχρονο

Αστρονόμοι και αστροφυσικοί σε πέντε διαφορετικές συνεργασίες συστοιχιών χρονισμού πάλσαρ ανακοίνωσαν σήμερα δεδομένα που υποδηλώνουν έντονα την παρουσία ενός φόντου βαρυτικών κυμάτων: ένα συνεχές βουητό κυματισμών χαμηλής συχνότητας στον χωροχρόνο που προέρχεται από μερικά από τα πιο εξωτικά αντικείμενα του σύμπαντος.

Η ανακάλυψη είναι μια επιβεβαίωση του

προηγούμενες προτάσεις από δεδομένα χρονισμού πάλσαρ

ότι ένα σήμα χαμηλής συχνότητας από τις πιο ισχυρές βαρυτικά πηγές του σύμπαντος -πολύ πιθανώς υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που προορίζονται να συγκρουστούν- διαπερνά το σύμπαν.

Τα νέα ευρήματα έγιναν από την Κινεζική Συστοιχία Χρονισμού Pulsar (CPTA), την Ευρωπαϊκή Συστοιχία Χρονισμού Pulsar (EPTA), την Ινδική Συστοιχία Χρονισμού Pulsar (InPTA), τη Συστοιχία Χρονισμού Pulsar Parkes (PPTA) και το Παρατηρητήριο Βαρύτητας Nanohertz της Βόρειας Αμερικής. Κύματα (NANOGrav). Οι τελευταίες τέσσερις συνεργασίες είναι συλλογικά το International Pulsar Timing Array (IPTA), και ενώ το «


κοινοπραξία κοινοπραξιών


” έχει δημοσιεύσει στοιχεία δύο φορές στο παρελθόν, δεν συμμετείχε στις σημερινές δημοσιεύσεις.

Ο κύριος υποψήφιος για τις πηγές του φόντου των βαρυτικών κυμάτων είναι οι υπερμεγέθεις δυαδικές μαύρες τρύπες, ή


ζεύγη από αυτά τα γελοία ογκώδη αντικείμενα


που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο κατά τη διάρκεια εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών, εν τέλει συνενώνονται σε ένα από τα πιο ακραία γεγονότα του σύμπαντος. Αν και είχε προβλεφθεί, κανένα υπερμεγέθη δυαδικό σύστημα μαύρης τρύπας δεν έχει επιβεβαιωθεί ποτέ παρατηρητικά.

«Το αναμενόμενο σήμα είναι ο τυχαίος «υπόβαθρο» ωκεανός αυτών των βαρυτικών κυμάτων, που είναι το άθροισμα των κυμάτων από κάθε δυαδική υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο σύμπαν», δήλωσε ο Daniel Reardon, αστρονόμος στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Swinburne και μέλος του OzGrav. , σε ένα email στο Gizmodo. «Η παρατήρηση αυτού του φόντου βαρυτικών κυμάτων έχει σημαντικές συνέπειες για την κατανόησή μας για την ιστορία του σχηματισμού του σύμπαντος μας, επειδή οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι οι κινητήρες στην καρδιά των γαλαξιών».

Τα βαρυτικά κύματα προβλέφθηκαν για πρώτη φορά από τον Αϊνστάιν στη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Οπως και


περιγράφεται από τον Αϊνστάιν


, τα κύματα είναι αλλαγές σε ένα βαρυτικό πεδίο που ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Πράγματι, τα βαρυτικά κύματα αναδύονται από τις σεισμικές αλληλεπιδράσεις των πιο ογκωδών και συμπαγών αντικειμένων του σύμπαντος. Όταν οι μαύρες τρύπες βρίσκονται σε τροχιά ή συγκρούονται μεταξύ τους, ή άλλα πολύ πυκνά αντικείμενα όπως αστέρια νετρονίων, τα βαρυτικά κύματα παράγονται από την αλληλεπίδραση.

Οι μαύρες τρύπες είναι εξαιρετικά πυκνές περιοχές του χωροχρόνου με τόσο ισχυρά βαρυτικά πεδία που ούτε το φως μπορεί να διαφύγει από αυτές. Τα αστέρια νετρονίων είναι υπερθετικά αρχαία αστρικά υπολείμματα που είναι τόσο πυκνά που τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τα συστατικά τους άτομα έχουν καταρρεύσει πάνω στα πρωτόνια των ατόμων, καθιστώντας ολόκληρο το αστέρι ένα μεγάλο νετρόνιο. ΕΝΑ

επιβεβαιώθηκε η ανίχνευση μιας συγχώνευσης μαύρης τρύπας-αστέρων νετρονίων

κατασκευάστηκε για πρώτη φορά το 2021.

Τα βαρυτικά κύματα εντοπίστηκαν για πρώτη φορά το 2015

, έναν αιώνα αφότου τα προέβλεψε ο Αϊνστάιν, από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (ή LIGO, τώρα μέρος της Συνεργασίας LIGO-Virgo-KAGRA). Το LIGO εντόπισε κυματισμούς στο χωροχρόνο χρησιμοποιώντας πολύ ακριβείς μετρήσεις της απόστασης μεταξύ των κατόπτρων σε υπόγειες σήραγγες στην Ουάσιγκτον και τη Λουιζιάνα.

Όταν τα βαρυτικά κύματα ταξιδεύουν μέσω της Γης, αλλάζουν πολύ ελαφρά τις αποστάσεις μεταξύ των κατόπτρων του LIGO, μετρημένες με φως λέιζερ, υποδεικνύοντας ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος έχει συμπιεστεί ή τεντωθεί.

Αλλά το φόντο των βαρυτικών κυμάτων είναι ένα πολύ πιο λεπτό σήμα από ό,τι τα βαρυτικά κύματα που ανιχνεύει το LIGO. Τα βαρυτικά κύματα του LIGO προέρχονται από τις συγχωνεύσεις (ένας ευγενικός όρος για τη βίαιη συγκέντρωση) μαύρων τρυπών αστρικής μάζας, οι οποίες είναι ακριβώς όπως ακούγονται: μαύρες τρύπες μεγέθους αστεριών.

Αν και ένα πολύ πιο αθόρυβο σήμα από αυτό που εκπέμπεται από τις συγχωνεύσεις μαύρων οπών αστρικής μάζας, το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων θεωρείται ότι προέρχεται από τα πιο ογκώδη αντικείμενα της φύσης: υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου μας, που περιφέρονται η μία γύρω από την άλλη σε μια τελικά μοιραία έλξη.

«Κανένα παράδειγμα αυτών των δυαδικών δεν έχει επιβεβαιωθεί σε ηλεκτρομαγνητικές έρευνες, αν και υπάρχουν πολλοί επιτακτικοί υποψήφιοι», είπε ο Luke Kelley, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και μέλος της συνεργασίας NANOGrav, σε συνέντευξη Τύπου που πραγματοποιήθηκε χθες.

«Οι ιδιότητες του υποβάθρου των βαρυτικών κυμάτων που μετράμε είναι απολύτως συνεπείς με τις θεωρητικές προσδοκίες για υπερμεγέθη δυαδικά συστήματα μαύρης τρύπας», πρόσθεσε ο Kelley. “Ταυτόχρονα, ωστόσο, είναι επίσης συνεπείς με τη νέα φυσική.”

Μπορείτε να σκεφτείτε τα βαρυτικά κύματα του LIGO ως μεγάλες διογκώσεις στον κοσμικό ωκεανό. για να μεταφέρουμε την αναλογία,

τους συνεχείς λεπτούς, δυναμικούς κυματισμούς αυτού του ωκεανού

είναι

ισοδύναμο με το φόντο των βαρυτικών κυμάτων.

Ο καλύτερος τρόπος για να δείτε αυτόν τον ωκεανό είναι η χρήση πάλσαρ—ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων που αναβοσβήνουν παλμούς φωτός προς τη Γη με αξιοσημείωτη χρονική αξιοπιστία. Τα πάλσαρ λειτουργούν ως κοσμικοί φάροι για να εντοπίσουν το φόντο των βαρυτικών κυμάτων.

Ακριβώς όπως μια ομάδα πιάτων ραδιοτηλεσκοπίου μπορεί να σχηματίσει μια συστοιχία – ένα, μεγάλο τηλεσκόπιο – τα δεδομένα ραδιοκυμάτων από μια ομάδα πάλσαρ μπορούν να ενωθούν για να σχηματίσουν μια συστοιχία μεγέθους γαλαξία. Τα βαρυτικά κύματα που ανιχνεύονται από συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ μπορεί να έχουν μήκος 10 έτη φωτός (90 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα) από κορυφή σε κορυφή,


σύμφωνα με ανακοίνωση της NSF


.

Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν ταυτόχρονα σε πολλές εργασίες. Τα καλύμματα σετ NANOGrav


τα στοιχεία για το ιστορικό


ο


παρατηρήσεις των πάλσαρ


,


χαρακτηρισμός του ανιχνευτή NANOGrav


και μια εργασία εξερεύνησης


πώς μπορεί να μοιάζει η νέα φυσική


στα δεδομένα της ομάδας. Τα αποτελέσματα της CPTA ήταν


δημοσίευσε


στο Research in Astronomy and Astrophysics, και τα ευρήματα του PPTA δημοσιεύτηκαν στο The Astrophysical Journal Letters and Publications of the Astronomical Society of Australia.

Η ομάδα NANOGrav θα δώσει συνέντευξη Τύπου με τα ευρήματά της από τα κεντρικά γραφεία του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών στην Αλεξάνδρεια της Βιρτζίνια, στις 1:00 μ.μ. ET αύριο. Η συνέντευξη Τύπου θα γίνει


μεταδόθηκε ζωντανά στο YouTube εδώ


.

Το σύνολο δεδομένων 12,5 ετών του NANOGrav, που κυκλοφόρησε το 2021, ήταν μια συναρπαστική υπόδειξη ότι το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων ήταν εκεί έξω, αλλά τα νέα δεδομένα – το 15ετές σύνολο δεδομένων τους – περιλαμβάνουν στοιχεία χωρικών συσχετισμών που συνοδεύουν ένα σήμα βαρυτικού κύματος. Αυτό ενισχύει την πιθανότητα ότι το σήμα που βλέπουν είναι η πραγματική συμφωνία.

«Αυτή τη στιγμή, βλέπουμε ένα σήμα που είναι βασικά το ίδιο σε ολόκληρο τον ουρανό. Καθώς αυξάνεται η ευαισθησία μας, θα αρχίσουμε να βλέπουμε πώς κατανέμεται το σήμα στον ουρανό», δήλωσε ο Joseph Simon, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Boulder και μέλος της συνεργασίας NANOGrav, σε ένα email στο Gizmodo.

Η κατανομή του σήματος θα αποκάλυπτε hotspot του φόντου ή περιοχές όπου οι πηγές φόντου βαρυτικών κυμάτων είναι ιδιαίτερα θορυβώδεις. Αυτό θα μπορούσε να οφείλεται είτε στη μάζα τους είτε στην εγγύτητά τους με ανθρώπινους ανιχνευτές.

Ο Simon πρόσθεσε ότι, καθώς οι υπερμεγέθεις δυαδικές μαύρες τρύπες έρχονται πιο κοντά, το σήμα ημιτονοειδούς βαρυτικού τους κύματος γίνεται περισσότερο ένα “κελάρυσμα” στο οποίο οι συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ δεν είναι ευαίσθητες.

“Ούτε είναι καλύτερο ή χειρότερο όσον αφορά την παροχή αποδεικτικών στοιχείων για το GWB, ωστόσο, τα μεμονωμένα δυαδικά συστήματα SMBH είναι ένας τρόπος για να καθοριστεί εάν η πηγή του GWB που φαίνεται από τα PTA προέρχεται από δυαδικά SMBH και όχι από άλλη κοσμολογική πηγή, όπως ο πληθωρισμός », πρόσθεσε ο Σάιμον.

Για να δουν τα «κελαηδήματα» των υπερμεγέθων μαύρων οπών στα πρόθυρα της συνένωσης, ο Simon είπε ότι οι αστρονόμοι θα χρειαστούν

Διαστημική κεραία συμβολόμετρου λέιζερ ή LISA

. Η LISA είναι μια προγραμματισμένη αποστολή της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας (ESA) που θα αποτελείται από τρία διαστημόπλοια που θα περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο με τον τρόπο Kubrickian, σχηματίζοντας ένα τρίγωνο στο διάστημα με πλευρές 1,5 εκατομμυρίων μιλίων (2,41 εκατομμυρίων χιλιομέτρων).

Το LISA ανιχνεύει τα βαρυτικά κύματα με τον ίδιο τρόπο όπως το LIGO, αλλά σε πολύ πιο μαζική κλίμακα. Οι βραχίονες του LIGO έχουν μήκος 2,5 μίλια (4 χιλιόμετρα)—ακριβώς μικροσκοπικοί σε σύγκριση με το προγραμματισμένο παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων που βασίζεται στο διάστημα.

Εκτός από το LISA, η τρίτη έκδοση δεδομένων της IPTA θα αποφέρει σίγουρα συναρπαστικά αποτελέσματα που θα ενοποιήσουν τα ευρήματα καθεμιάς από τις συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ που λειτουργούν σε όλο τον κόσμο.

Τα νέα σύνολα δεδομένων επιλύουν την αυξανόμενη πιθανότητα ενός φόντου βαρυτικών κυμάτων, αλλά εγείρουν επίσης νέα ερωτήματα.

«Απροσδόκητα, διαπιστώσαμε ότι η ποσότητα του χωροχρόνου που συμπιέζεται και τεντώνεται λόγω των βαρυτικών κυμάτων φαίνεται να αυξάνεται με το χρόνο», δήλωσε ο Andrew Zic, αστρονόμος στο CSIRO που συνεπιβλέπει την ανάλυση PPTA, σε ένα email στο Gizmodo. «Η υποκείμενη αιτία αυτού είναι ένα μυστήριο για εμάς, αλλά αν δεν είναι κάποιο πρόβλημα που δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη στη μοντελοποίηση που χρησιμοποιούμε, θα μπορούσε να είναι κάτι απροσδόκητο και ενδιαφέρον για τα ίδια τα βαρυτικά κύματα».

Το να καθηλώσει το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων θα οδηγούσε τους αστροφυσικούς

η εξέλιξη των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών

; Υπάρχει έλλειψη μαύρων τρυπών μέσης μάζας που παρατηρείται στο σύμπαν, γεγονός που καθιστά δύσκολο για τους επιστήμονες να κατανοήσουν πώς αναδύονται οι μάζες δισεκατομμύρια φορές από αυτές του Ήλιου μας.

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπορεί να ήταν πανταχού παρούσες στο πρώιμο σύμπαν

επίσης, εγείροντας ερωτήματα για το πόσο γρήγορα μπορούν να αναπτυχθούν τα αντικείμενα.

«Τα πειράματά μας είναι ένας από τους μόνους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να βρούμε άμεσες αποδείξεις για ζεύγη αυτών των υπερμεγέθων μαύρων οπών που τελικά θα συγχωνευθούν», πρόσθεσε ο Zic, και «με τη μελέτη αυτών των βαρυτικών κυμάτων θα μπορέσουμε να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο έχουν συγχωνευθεί οι γαλαξίες. σε όλη την κοσμική ιστορία με περισσότερες λεπτομέρειες».

Είτε τα υπερμεγέθη δυαδικά δίκτυα μαύρης τρύπας είναι ο μόνος ένοχος για το φαινομενικό υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων – είτε δεν είναι καθόλου ο ένοχος, αντί της νέας φυσικής – περισσότερα δεδομένα είναι βέβαιο ότι θα συγκλονίσουν το σύμπαν.

Τα βουητά των μεγαλοπρεπέστερων αντικειμένων του σύμπαντος τελικά αποκαλύπτονται επειδή οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν παρατηρητήρια από τα ίδια τα αστέρια. Θα έλεγα ότι ο ουρανός είναι το όριο, αλλά θα ήταν κατάφωρη υποτίμηση.

Περισσότερα: Οι αστρονόμοι εντόπισαν βαρυτικά κύματα. Τώρα θέλουν να δουν τον Κοσμικό Ωκεανό