Доказателство, че Земята е обвита в бавно търкалящо се море от гравитационни вълни

Учените съобщават за първите доказателства, че нашата Земя и Вселената около нас са погълнати от фон от вълни в пространство-времето, наречено Земя гравитационни вълни. Вълните осцилират много бавно в продължение на години и дори десетилетия и се смята, че произхождат главно от двойки свръхмасивни черни дупки, бавно спираловидно заедно, преди да се слеят.

15 години преследване

Това новаторско откритие е описано подробно в поредица от статии в на Astrophysical Journal Letters, е резултат от 15 години внимателни наблюдения от Северноамериканската обсерватория за нанохерцови гравитационни вълни (NANOGrav). Като център за физика, финансиран от Националната научна фондация (NSF), NANOGrav включва повече от 190 учени от Съединените щати и Канада. Те използваха радиотелескопи в обсерваторията Аресибо в Пуерто Рико, телескопа Green Bank в Западна Вирджиния и Very Large Array в Ню Мексико, за да наблюдават 68 мъртви звезди, наречени пулсари, в небето. Пулсарите действаха като мрежа от шамандури, поклащащи се върху бавно течащо море от гравитационни вълни.

Изградете увереност в резултатите

казва Катерина Чациоану, член на екипа на NANOGrav и асистент по физика в Caltech. „В бъдеще ще продължим да предоставяме повече наблюдения и да сравняваме нашите резултати с тези на международни партньори, което ще ни позволи да научим повече данни.“

Катрина Чадзиуану. Кредит: Калифорнийски технологичен институт

откриване на черни дупки

„Имаме нов начин да изследваме какво се случва, когато чудовищни ​​черни дупки в ядрата на галактиките започнат бавна, но безмилостна спирала на смъртта“, казва членът на екипа на NANOGrav Джоузеф Лацио, главен учен в JPL.Лаборатория за реактивни двигатели) и гостуващ сътрудник по астрономия в Калифорнийския технологичен институт, който ръководи Лабораторията за реактивни двигатели за НАСА. „Смятаме, че този процес е стандартен за много галактики и сме виждали много примери на различни стъпки, но най-накрая започваме да надникваме в една от основните последни стъпки.“

Джоузеф Лацио. Кредит: Калифорнийски технологичен институт

Гравитационни вълни – концепцията на Айнщайн

Концепцията за гравитационните вълни е предложена за първи път от Алберт Айнщайн през 1916 г. Те обаче не са открити директно почти век по-късно от финансираната от Националната научна фондация. лего (Лазерна интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория). Те откриват вълни От двойка сблъскващи се черни дупки в далечината.

За разлика от LIGO, който открива гравитационни вълни с много по-висока честота, NANOGrav, както подсказва името, се фокусира върху по-нискочестотни гравитационни вълни в нанохерцовия диапазон, тоест един цикъл на всеки няколко години.

Високочестотните гравитационни вълни идват от двойки по-малки черни дупки, които бързо обикалят една около друга в последните секунди преди сблъсък, докато по-нискочестотните вълни се смятат за генерирани от масивни черни дупки в сърцата на галактиките, които достигат милиарди пъти повече маса на нашето слънце, която Те бавно разпръскват една около друга и имат милиони години преди да се слеят.

Колективното бръмчене на сливането на черни дупки

В новите проучвания се смята, че нанограф е уловил колективното бръмчене на гравитационни вълни от няколко двойки сливащи се свръхмасивни черни дупки във Вселената. „Хората сравняват този сигнал по-скоро с гръб, отколкото с възгласи, които LIGO улавя“, обяснява Чациоану, който също е член на екипа на LIGO и стипендиант на William H. Hurt.

Патрик Майерс. Кредит: Калифорнийски технологичен институт

„Все едно сте на коктейл и не можете да различите никакъв индивидуален звук. Ние чуваме само фоновия шум“, казва Патрик Майерс, член на екипа на NANOGrav и постдокторантски изследовател в Калтек, който помогна за ръководенето на статистическите тестове на резултати.

Разбиране на космическото бръмчене

Мрежата от пулсари NANOGrav е известна още като a пулсар– Задаване на време. Пулсарите, образувани от експлозиите на масивни звезди, изпращат бързо въртящи се светлинни маяци около много малки времеви мащаби. „Те са като маяци на маяк, преминаващ с редовна скорост. Можете да предвидите времето на ниво от десетки наносекунди. Те имат същото ниво на точност като атомните часовници в някои случаи“, казва Майерс.

Докато гравитационните вълни пътуват през Вселената, те разтягат и компресират малко тъканта на пространство-времето. Това разширение и компресия може да доведе до промяна в разстоянието между Земята и конкретен пулсар, забавяйки или изпреварвайки времето на светлинните проблясъци на пулсара. За да търси фоновото бръмчене на гравитационните вълни, научният екип разработи софтуер за сравняване на времето на двойки пулсари в тяхната мрежа. Гравитационните вълни ще променят това време в различна степен в зависимост от това колко близо са пулсарите в небето, модел, първоначално теоретично изчислен от Рон Хелингс и Джордж Даунс в Лабораторията за реактивни двигатели в началото на 80-те години.

Мишел Валеснери. Кредит: Калифорнийски технологичен институт

„Представете си много вълни в океана от двойки свръхмасивни черни дупки, разпръснати навсякъде“, казва Лацио. „Сега седим тук на Земята, която действа като шамандура заедно с пулсарите, и се опитваме да измерим как вълните се променят и карат други шамандури да се движат към и далеч от нас.“

„За да изведем фона на гравитационните вълни, трябваше да идентифицираме много объркващи влияния, като движението на пулсарите, смущения, причинени от свободни електрони в нашата галактика, нестабилността на референтните часовници в радиообсерваториите и дори точното местоположение на центъра на слънчевата система, която определихме с помощта на Джуно и Касини казва членът на екипа на NANOgrav Michele Valesneri, старши изследовател в JPL и гостуващ сътрудник по теоретична астрофизика в Caltech.

Допълнителни заключения и заключения

Бъдещите резултати от NANOGrav ще включват канадския телескоп CHIME, който се присъедини към проекта през 2019 г. Caltech’s Дълбока синоптична матрица-2000DSA-2000, или масив от 2000 радиоантени, планирани да бъдат построени в пустинята Невада и да започнат да работят през 2027 г., също ще се присъединят към търсенето.

Учените се надяват да отговорят на мистериите относно природата на свръхмасивните сливания на черни дупки, като например колко чести са те, какво ги държи заедно и други фактори, които допринасят за тяхното сливане.

„Хората се опитват да намерят свръхмасивни черни дупки с телескопи от години“, казва Чациоану. „Те се приближават и намират повече кандидати, но тъй като черните дупки са толкова близо една до друга, е трудно да ги различим. Наличието на гравитационни вълни като нов инструмент ще ни помогне да разберем по-добре тези мистериозни чудовища.“

„Това беше красив и невероятен експеримент: сглобяване на детектор за гравитационни вълни с размер на галактика, който пулсира мъртви звезди в нашата галактика и обединява мултидисциплинарен екип от радиоастрономи, експерти по неутронни звезди и черни дупки и експерти по учени по гравитационни вълни “, казва Валеснери.

За повече информация относно това изследване:

Справка: „15-годишният набор от данни за NANOGrav: Доказателство за фона на гравитационните вълни“ от Габриела Агази, Акаш Анумарлабуди, Ан М. Арчибалд, Завен Арзуманиан, Пол Т. Бейкър, Пенс Пикси, Лора Плеча, Адам Брейзиър, Пол Р. Брок, Сара Бърк-Сполър, Ранд Бърнет, Робин Кейс, Мария Чаризи, Шами Чатърджи, Катерина Чациоану, Белинда ДеЧесибъроу, Сиуан Чен, Тайлър Коен, Джеймс М. Кордес, Нийл Г. Корниш, Фронфелд Крауфорд, Х. Катрин Кротър, Кърт Дж. Кътлър, Меган Е. Десар, Далас Диган, Пол Б. Деморест, Хийлинг Динг, Тимъти Долч, Брендън Драхлър, Джъстин А. Елис, Елизабет К. Ферара, Уилям Фюри, Емануел Фонсека, Габриел Е. Friedman, Nate Garver Daniels, Peter A. Gentile, Kyle A. Gersbach, Joseph Glaser, Deborah C. Judd, Kayhan Gultekin, Jeffrey S. Hazboun, Sophie Hourihane, Christina Islow, Ross J. Джоунс, Андрю Р. Кайзер, Дейвид Л. Каплан, Люк Золтан Кели, Матю Кер, Джой С. К., Тоня К. Клайн, Нима Лал, Майкъл Т. Лам, Уилям Дж. , Наталия Левандовска, Тайсън Б. Литенберг, Тингтинг Лиу, Андреа Лумен, Дънкан Р. Лоримър, Джинг Лу, Райън С. Линч, Чонг Пей Ма, Дъстин Р. Медисън, Маргарет А. Матсън, Александър Маккуин, Джеймс У. Маки, Маура А. Маклафлин , Наташа Макмеън, Брадли У. Майерс, Патрик М. Майерс, Киара М. Ф. Мингарели, Андреа Митридат, Приямвада Натараджан, Шери Нг, Дейвид Г. Нес, Стела Кох-Окър, Кен Д’Олум, Тимъти Т. Бенучи, Бенетдж Б. П. Перера , Polina Petrov, Nihan S. Pol, Henri A. Radovan, Scott M. Ransom, Paul S. Ray, Joseph D. Romano, Shashwat C. Sardesai, Ann Schmiedekamp, ​​​​Carl Schmiedekamp, ​​​​Kai Schmitz, Levi Schult, Брент Дж. Шапиро Албърт, Ксавие Сименс, Джоузеф Саймън, Магдалена С Сивик, Ингрид Х. Стиърс, Даниел Р. Стайнбринг, Кевин Стовал, Джери Б. Тейлър, Джейкъб Е. Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/acdac6

Други членове на екипа на Caltech и JPL включват постдоктор на Caltech Аарон Джонсън, който ръководи усилията за преглед и валидиране на ключовия код за анализ, който доведе до всички ключови открития; Кърт Кътлър, старши научен сътрудник на JPL, който помогна за изработването на статистически обработки на данните; и студентката от Caltech Sophie Hourihane, която разработи нов метод за ускоряване на анализите на NANOGrav.

Поредица от научни статии, описващи подробно новите открития на NANOGrav, са публикувани в Astrophysical Journal Letters. Документът, описващ доказателствата за гравитационните вълни, озаглавен „15-годишният набор от данни на NANOGrav: Доказателства за фона на гравитационните вълни“, беше съвместно ръководен от двама бивши изследователи от JPL/Caltech Сара Вигеланд (сега в Университета на Уисконсин, Милуоки ) и Стивън Тейлър (сега в университета Вандербилт).