Observatorium på størrelse med en galakse ser potentielle antydninger af gravitationsbølger

Forskere har brugt et "galakse-størrelse" rumobservatorium til at finde mulige antydninger af et unikt signal fra gravitationsbølger, eller de kraftige krusninger, der løber gennem universet og fordrejer selve rummets og tidens stof.

De nye resultater, som dukkede op for nylig i The Astrophysical Journal Letters , stammer fra et amerikansk og canadisk projekt kaldet North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav).

I mere end 13 år, NANOGrav-forskere har kigget på lyset, der strømmer fra snesevis af pulsarer spredt over hele Mælkevejsgalaksen for at forsøge at detektere en "gravitationsbølgebaggrund." Det er, hvad forskerne kalder den konstante flux af gravitationsstråling, der, ifølge teorien, skyller ind over Jorden konstant. Holdet har endnu ikke udpeget det mål, men det kommer tættere på end nogensinde før, sagde Joseph Simon, en astrofysiker ved University of Colorado Boulder og hovedforfatter af det nye papir.

"Vi har fundet et stærkt signal i vores datasæt, sagde Simon, en postdoc ved Institut for Astrofysiske og Planetariske Videnskaber. "Men vi kan endnu ikke sige, at dette er gravitationsbølgens baggrund."

I 2017 forskere på et eksperiment kaldet Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) vandt Nobelprisen i fysik for den første nogensinde direkte detektion af gravitationsbølger. Disse bølger blev skabt, da to sorte huller slog ind i hinanden omkring 130 millioner lysår fra Jorden, generere et kosmisk chok, der spredte sig til vores eget solsystem.

Den begivenhed svarede til et bækkenstyrt - et voldsomt og kortvarigt eksplosion. De gravitationsbølger, som Simon og hans kolleger leder efter, i modsætning, er mere som den konstante brummen af ​​samtale ved et overfyldt cocktailparty.

At opdage, at baggrundsstøj ville være en stor videnskabelig bedrift, åbne et nyt vindue til universets virkemåde, han tilføjede. Disse bølger, for eksempel, kunne give forskerne nye værktøjer til at studere, hvordan de supermassive sorte huller i centrene af mange galakser smelter sammen over tid.

"Disse lokkende første antydninger af en gravitationsbølge-baggrund antyder, at supermassive sorte huller sandsynligvis smelter sammen, og at vi dupper i et hav af gravitationsbølger, der risler fra supermassive sorte hul-fusioner i galakser på tværs af universet, " sagde Julie Comerford, en lektor i astrofysisk og planetarisk videnskab ved CU Boulder og NANOGrav-teammedlem.

Simon vil præsentere sit holds resultater på en virtuel pressekonference på mandag ved det 237. møde i American Astronomical Society.

Galaktiske fyrtårne

Gennem deres arbejde på NANOGrav, Simon og Comerford er en del af en høj indsats, om end samarbejdende, international kapløb om at finde gravitationsbølgebaggrunden. Deres projekt slutter sig til to andre fra Europa og Australien for at udgøre et netværk kaldet International Pulsar Timing Array.

Simon sagde det, i hvert fald ifølge teorien, fusionerende galakser og andre kosmologiske begivenheder producerer en konstant bølge af gravitationsbølger. De er humørfyldte - en enkelt bølge, Simon sagde, kan tage år eller endda længere tid at passere Jorden. Af den grund, ingen andre eksisterende eksperimenter kan opdage dem direkte.

"Andre observatorier søger efter gravitationsbølger, der er i størrelsesordenen sekunder, " sagde Simon. "Vi leder efter bølger, der er i størrelsesordenen år eller årtier."

Han og hans kolleger skulle være kreative. NANOGrav-holdet bruger teleskoper på jorden ikke til at lede efter gravitationsbølger, men til at observere pulsarer. Disse kollapsede stjerner er galaksens fyrtårne. De spinder med utrolig høje hastigheder, sender strømme af stråling, der skynder sig mod Jorden i et blinkende mønster, der forbliver stort set uændret gennem æonerne.

Simon forklarede, at gravitationsbølger ændrer det konstante mønster af lys, der kommer fra pulsarer, trække eller klemme de relative afstande, som disse stråler rejser gennem rummet. Videnskabsmænd, med andre ord, måske være i stand til at spotte gravitationsbølgebaggrunden blot ved at overvåge pulsarer for korrelerede ændringer i tidspunktet for, hvornår de ankommer til Jorden.

"Disse pulsarer drejer omtrent lige så hurtigt som din køkkenblender, " sagde han. "Og vi ser på afvigelser i deres timing på blot et par hundrede nanosekunder."

Noget der

For at finde det subtile signal, NANOGrav-teamet stræber efter at observere så mange pulsarer som muligt så længe som muligt. Til dato, gruppen har observeret 45 pulsarer i mindst tre år og, i nogle tilfælde, i godt et årti.

Det hårde arbejde ser ud til at betale sig. I deres seneste undersøgelse, Simon og hans kolleger rapporterer, at de har opdaget et tydeligt signal i deres data:En eller anden almindelig proces ser ud til at påvirke lyset, der kommer fra mange af pulsarerne.

"Vi gik gennem hver af pulsarerne en efter en. Jeg tror, ​​vi alle havde forventet at finde et par stykker, der var de skøre, der kastede vores data af sig, " sagde Simon. "Men så kom vi igennem dem alle, og vi sagde, 'Åh gud, der er faktisk noget her."

Forskerne kan stadig ikke sige med sikkerhed, hvad der forårsager dette signal. De bliver nødt til at tilføje flere pulsarer til deres datasæt og observere dem i længere perioder for at afgøre, om det faktisk er gravitationsbølgebaggrunden på arbejde.

"At være i stand til at detektere gravitationsbølgebaggrunden vil være et stort skridt, men det er egentlig kun trin et, " sagde han. "Trin to er at finde ud af, hvad der forårsager disse bølger og opdage, hvad de kan fortælle os om universet."