امواج گرانشی یک زمزمه پس زمینه در سراسر جهان ایجاد می کنند

در حالی که امواج گرانشی منفرد، که موج‌هایی در فضا-زمان هستند که در اثر برخورد اجسام عظیم ایجاد می‌شوند، از اولین بار در سال 2015 به طور منظم مشاهده شده‌اند، تمرکز این تحقیق متفاوت است. این امواج گرانشی قبلی همگی منشأ محلی دارند و صدها بار در ثانیه بالا و پایین می‌شوند، اما سیگنال تازه کشف‌شده بیشتر شبیه یک پس‌زمینه موج گرانشی است که در کل جهان با فرکانس‌های بسیار پایین‌تری نفوذ می‌کند، شبیه به صدا. مفهوم مایکروویو کیهانی. پس زمینه، که تشعشع به جا مانده از انفجار بزرگ است و امروز در سراسر جهان دیده می شود.

NANOGrav

بنابراین، با فرض باقی ماندن سیگنال در حالی که اخترشناسان داده های بیشتری را جمع آوری می کنند، چه چیزی باعث پس زمینه موج گرانشی می شود؟

یکی از اعضای تیم NANOGrav می گوید: “آنها همچنین شروع به دیدن این سیگنال همبستگی بسیار مشخص در داده های خود کرده اند.” مگان دی سزار در دانشگاه جورج میسون در ویرجینیا “همه ما به نوعی آن را می بینیم، که بسیار هیجان انگیز است زیرا نشان می دهد که احتمالا واقعی است.”

مقیاس بزرگ

تپ اخترها به آشکارسازی امواج در فضازمان در سراسر جهان کمک کرده اند

یکی از راه‌های پشتیبانی از توضیح سیاهچاله‌های عظیم، دیدن یک سیگنال پس‌زمینه موج گرانشی است که در قسمت خاصی از آسمان قدرت می‌گیرد، که می‌تواند ناشی از ذوب شدن نزدیک باشد. PPTA استرالیا در تحلیل خود نکاتی را در این مورد می بیند، اما هنوز برای گفتن این موضوع زود است.

برای یافتن این وزوز مرموز، ستاره شناسان ستاره های نوترونی به نام تپ اخترهایی که به سرعت در حال چرخش بودند را ردیابی کردند که با نظم فوق العاده نور ساطع می کنند. با بررسی تپ اخترهای مختلف در سراسر کهکشان راه شیری، اخترشناسان می توانند به طور موثر از آنها به عنوان آشکارساز امواج گرانشی به اندازه کهکشان به نام شبکه همگام سازی تپ اختر استفاده کنند.

در حالی که این توضیح بسیار منطقی است، وقتی بلچا و همکارانش پس‌زمینه موج گرانشی ناشی از ادغام سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم در سراسر جهان را مدل‌سازی کردند، سیگنالی کمی متفاوت از NANOGrav پیدا کردند که نشان می‌دهد این غول‌های کیهانی یا پرجرم‌تر هستند یا در جهان رایج‌تر هستند. جهان بیش از آنچه قبلا تصور می شد اگر درست باشد، می‌تواند درک ما از شکل‌گیری کهکشان‌ها و ساختار مقیاس بزرگ جهان را تغییر دهد.

NANOGrav

با تشکر از شما/MPIfR

عدم قطعیت کافی در سیگنال NANOGrav وجود دارد تا دری را برای توضیحات دیگر باز کند نلسون کریستنسن در کالج کارلتون در مینه سوتا. ما در چند روز آینده صدها مقاله از نظریه پردازان خواهیم داشت که در آن مدل های دیگری را ارائه خواهند کرد.

یکی از احتمالات این است که امواج پس‌زمینه از نقص‌هایی در کیهان بسیار اولیه در هنگام تغییر فاز منشأ گرفته باشند. ایده این است که اثری در فضازمان بر جای گذاشته است، مانند شکاف هایی که هنگام تبدیل آب به یخ ایجاد می شوند. مورد دیگر این است که پس‌زمینه در واقع شامل امواج گرانشی اولیه با تئوری طولانی است که توسط جهان به سرعت در حال انبساط بلافاصله پس از انفجار بزرگ در دوره‌ای به نام تورم کیهانی تولید می‌شود.

هیچ چیز مستثنی نیست

موضوعات:


منبع: https://www.newscientist.com/article/2380451-gravitational-waves-produce-a-background-hum-across-the-whole-universe/?utm_campaign=RSS%7CNSNS&utm_source=NSNS&utm_medium=RSS&utm_content=home

از آستانه آماری که دانشمندان باید آن را تشخیص قطعی پس‌زمینه موج گرانشی بدانند، عبور نکرد، اما ستاره‌شناسان راحت آن را شواهد بسیار قوی، در سطح اهمیت آماری ۳ سیگما می‌خوانند، که به معنای احتمال وجود چنین سیگنالی است. . در غیاب پس‌زمینه موج گرانشی تقریباً 1 در 1000 رخ می‌دهد.

برای حل این مشکل به داده های بیشتری نیاز داریم. تلسکوپ های اخیراً ساخته شده مانند FAST در چین و MeerKAT در آفریقای جنوبی، و همچنین آرایه کیلومتر مربع، بزرگترین تلسکوپ جهان که در استرالیا و آفریقای جنوبی ساخته شده است، به ما امکان می دهد تپ اخترها را بیشتر و با دقت بسیار بیشتری اندازه گیری کنیم. مک کی می گوید که پیدا کردن تپ اخترهای جدید و منظم تر نیز کمک خواهد کرد.

ترکیب مجموعه داده ها از تمام PTA های مختلف در یک همکاری جهانی همچنین امکان تجزیه و تحلیل دقیق تر را فراهم می کند. تپ اخترهایی وجود دارند که فقط تلسکوپ های استرالیایی می توانند آن ها را ببینند و بالعکس برای تلسکوپ های اروپایی. دی سزار می گوید، تجزیه و تحلیلی که همه نتایج را با هم ترکیب می کند، در حال انجام است و انتظار می رود در سال های آینده منتشر شود.

اکنون، پس از مجموع 15 سال مشاهدات، تیم NANOGrav برای اولین بار این علامت را در سیگنال در طیف وسیعی از فرکانس‌های امواج گرانشی مختلف مشاهده کرده است. یکی از اعضای تیم می گوید: “این از یک سرنخ وسوسه انگیز به چیزی تبدیل شد که شواهد بسیار قوی از پس زمینه موج گرانشی است.” جیمز مک کی در دانشگاه هال انگلستان

مک کی می گوید: «ما باید بتوانیم در مورد همه آنها گزارش دهیم و این زمان طولانی می برد. سال‌ها رصد طول می‌کشد، درک ویژگی‌های نویز بی‌نظمی‌های چرخشی، محیط بین‌ستاره‌ای، و مواردی از این دست نیاز به مقدار زیادی دارد.»

تنها در حال حاضر تیم‌های جدول زمان‌بندی Pulsar به اندازه کافی به داده‌های خود اطمینان دارند تا بتوانند الگوی متمایز در سیگنال پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام را تشخیص دهند. همانطور که ستاره شناسان جفت تپ اخترها را در سراسر آسمان ردیابی می کنند، تفاوت در زمان تابش نور آنها باید به طور کلی با افزایش زاویه بین آنها کمتر مشابه شود. این به این دلیل است که نور تپ اخترهایی که در آسمان نزدیک به نظر می رسند مسیر مشابهی را به سمت زمین طی می کند، به این معنی که مسیر مشابهی را در پس زمینه موج گرانشی طی می کند، در حالی که نور آنهایی که دورتر ظاهر می شوند مسیرهای متفاوتی را طی می کند.

با اندازه‌گیری سیگنال‌های نوری تپ‌اخترها هنگام رسیدن به زمین و بررسی نوسانات کوچک در زمان که ممکن است ناشی از امواج در فضا-زمان باشد، اخترشناسان فکر کردند که نشانه‌هایی از فرآیند مشترکی یافته‌اند که بر زمان‌بندی تمام تپ‌اخترها به روشی یکسان تأثیر می‌گذارد. . با این حال، در آن زمان، آنها فاقد یک امضای گویا پیش بینی شده توسط نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین بودند که این زمزمه را در مقیاس کیهانی تایید کند.

در سال 2021، اولین اشاراتی وجود داشت که رصدخانه نانوهرتز آمریکای شمالی برای امواج گرانشی (NANOGrav)، یک همکاری مستقر در ایالات متحده که در سال 2007 آغاز شد و از یک شبکه همگام سازی تپ اختر استفاده می کند، این پس زمینه موج گرانشی را با استفاده از تلسکوپ های رادیویی شناسایی کرده است.

می‌گوید: «آنها نمی‌توانستند آن را مشخص کنند و بگویند، بله، این امواج گرانشی هستند چارلز کنتالدی در امپریال کالج لندن اما اکنون که آنها منحنی هلینگز-داونز را اندازه‌گیری کرده‌اند، در واقع فقط یک تفنگ سیگاری است.»

توضیحات رقابتی

توضیح اصلی شامل جفت سیاهچاله های ابرپرجرم ادغام شده (SMBH) است، سیاهچاله های غول پیکر در مرکز بسیاری از کهکشان ها با جرم میلیون ها برابر بیشتر از خورشید. هنگامی که این اجرام در مدار اطراف یکدیگر قفل می شوند، به اصطلاح باینری ها، جرم های شدید آنها باید فضازمان را به همان محدوده فرکانسی خم کنند که به نظر می رسد شبکه های همگام سازی تپ اختر برای پس زمینه امواج گرانشی اندازه گیری می کنند. از آنجایی که این رویدادها در سراسر جهان، هم در زمان و هم در مکان رخ می‌دهند، امواجی که آنها تولید می‌کنند باید با هم ترکیب شوند و زمزمه‌ای متمایز ایجاد کنند که کیهان را فرا می‌گیرد.

“این اجتناب ناپذیر است که آن ها [pairs of] یکی از اعضای تیم می‌گوید سیاه‌چاله‌های پرجرم در نهایت به هم می‌رسند و باینری‌ها را تشکیل می‌دهند لورا بلخ در دانشگاه فلوریدا “فقط یک سوال این است که آنها در چه مقیاس زمانی به اندازه کافی نزدیک می شوند تا این امواج گرانشی را تولید کنند که NANOGrav و سایر شبکه های همگام سازی تپ اختر می توانند مشاهده کنند.”

NANOGrav از تلسکوپ گرین بانک در ویرجینیای غربی استفاده کرد

تلسکوپ رادیویی افلسبرگ در آلمان بخشی از حق چاپ EPTAC است:

پس زمینه امواج گرانشی بسیار کوچک است – قدرت سیگنالی که اخترشناسان باید استخراج کنند نسبت به نویزهایی که در همان زمان دریافت می شود به یک قسمت در یک کوادریلیون می رسد، در حالی که خود امواج گرانشی حدود یک سال نوری گسترش می یابد – به علاوه بیش از 9 تریلیون کیلومتر – در طول موج. به همین دلیل است که تپ اخترها که فاصله مناسبی دارند و جزو حساس ترین ساعت های جهان هستند، کلید این تحقیق هستند. اگر یک پس‌زمینه ثابت از امواج گرانشی، تمام فضازمان را منحرف کند، باید تمام پالس‌های نور تپ‌اختر را نیز به طور یکسان تحت تأثیر قرار دهد، اما اندازه‌گیری آن آسان نیست، به دلیل بسیاری از عوامل دیگر که می‌تواند بر زمان‌بندی سیگنال‌های هر تپ‌اختر در آرایه تأثیر بگذارد. .

سه همکاری دیگر Pulsar Synchronization Network (PTA) شامل اروپا و هند (EPTA)، چین (CPTA) و استرالیا (PPTA) نیز امروز نتایج خود را منتشر کردند. CPTA ادعا می‌کند که پس‌زمینه موج گرانشی را در سطح اطمینان بالاتری نسبت به NANOGrav، اما برای یک فرکانس، یافته است، در حالی که EPTA و PPTA شواهدی از آن را در سطح آماری کمی پایین‌تر می‌بینند.

با این حال، داده ها در حال حاضر به اندازه کافی دقیق نیستند که یک سناریو یا سناریو دیگر را رد کند پیتر فریرا در دانشگاه آکسفورد مشکل این موضوع این است که بله، این می تواند هر نوع فیزیک جدید باشد، اما شما واقعا نمی توانید آنها را از هم جدا کنید.

به گفته اخترشناسانی که نویز پس‌زمینه امواج گرانشی را کشف کرده‌اند، بافت کیهان دائماً موج می‌زند. این امواج ممکن است از ادغام سیاهچاله‌های کلان پرجرم در سراسر جهان تولید شوند، اما می‌توانند منشأ عجیب‌تری نیز داشته باشند، مانند موج‌های باقی‌مانده در فضازمان که اندکی پس از انفجار بزرگ ایجاد شده‌اند. شناسایی ماهیت واقعی آنها می تواند به ما در مورد چگونگی رشد سیاهچاله های کلان پرجرم و تأثیر بر کهکشان های میزبان خود یا حتی چگونگی تکامل جهان در اولین لحظات خود بگوید.

اما تایید این سیگنال ها و به دست آوردن اعتماد بیشتر به آنها آسان نیست آریس کاراسترگیو در دانشگاه آکسفورد “این در مقیاس گسترده است، با داده های فوق العاده دشوار برای کار.”

به لطف ویژگی نسبیت عام، این رابطه در واقع برای تپ اخترهایی که از هم دور هستند معکوس می شود، با مقایسه تپ اخترها در طرف های مخالف آسمان، تفاوت های زمان بیشتر شبیه تر می شود. این الگوی کامل را می توان با استفاده از نموداری به نام منحنی هلینگز-داونز توصیف کرد و این الگوی است که NANOGrav در سال 2021 فاقد آن بود.

کریستنسن می گوید: «این یک عصر طلایی برای امواج گرانشی است. “در حدود هشت سال، نه تنها امواج گرانشی را روی زمین شناسایی کرده ایم، بلکه اکنون آنها را با روشی کاملا متفاوت در فرکانس بسیار متفاوت شناسایی کرده ایم – این فقط فوق العاده هیجان انگیز است.”

توسط احمد گل کار

احمد گل کار