Afdækning af hemmelighederne bag ultralavfrekvente gravitationsbølger

Nye metoder til at detektere ultra-lavfrekvente gravitationsbølger kan kombineres med andre, mindre følsomme målinger for at levere frisk indsigt i den tidlige udvikling af vores univers, ifølge forskere ved University of Birmingham.

Gravitationsbølger – krusninger i stoffet i Einsteins rumtid – der krydser universet med lysets hastighed har alle mulige bølgelængder, eller frekvenser. Forskere har endnu ikke formået at detektere gravitationsbølger ved ekstremt lave 'nanohertz'-frekvenser, men nye tilgange, der i øjeblikket undersøges, forventes at bekræfte de første lavfrekvente signaler ganske snart.

Hovedmetoden bruger radioteleskoper til at detektere gravitationsbølger ved hjælp af pulsarer - eksotiske, døde stjerner, der udsender pulser af radiobølger med ekstraordinær regelmæssighed. Forskere ved NANOGrav-samarbejdet, for eksempel, bruge pulsarer til tid til at udsøgt præcision af rotationsperioderne for et netværk, eller array, af millisekunders pulsarer – astronomernes bedste tilnærmelse af et netværk af perfekte ure – spredt ud over hele vores galakse. Disse kan bruges til at måle fraktionelle ændringer forårsaget af gravitationsbølger, når de spreder sig gennem universet.

Spørgsmålet om, hvad der producerer disse signaler, imidlertid, er endnu ikke fastlagt. Forskere ved University of Birminghams Institute for Gravitational Wave Astronomy, hævder, at det vil være ekstremt vanskeligt at tage stilling til et svar, der kun bruger data fra pulsar timing arrays (PTA'er).

I stedet, i et brev offentliggjort i dag i Natur astronomi, de foreslår, at man kombinerer disse nye data med observationer foretaget af andre projekter, såsom Den Europæiske Rumorganisations Gaia-mission, vil hjælpe de forskellige signaler, der stadig dvæler fra de tidligste perioder af vores univers, til at blive adskilt og fortolket.

Hovedteorien for ultralavfrekvente gravitationsbølger er, at de er forårsaget af en population af de supermassive sorte huller i centrum af fusionerende galakser. Når galakser smelter sammen, deres centrale sorte huller parrer sig, danner binære og genererer gravitationsbølger. I dette tilfælde, en påvisning af gravitationsbølger af PTA ville tilbyde spændende nye måder at studere astrofysikken i galaksernes samling og vækst.

Men der er også andre muligheder. Nanohertz gravitationsbølger kunne fortælle historien om vores spædbarnsunivers, længe før galakser og sorte huller dannes. Faktisk, det er blevet foreslået, at ekstremt lavfrekvente gravitationsbølgesignaler i stedet kunne genereres kort efter big bang af andre processer; for eksempel hvis universet gennemgik det, fysikere omtaler som en faseovergang ved den korrekte temperatur.

Hovedforfatter, Dr. Christopher Moore, sagde:"De første foreløbige antydninger af et gravitationsbølgesignal ved hjælp af pulsar-timing-arrays er måske for nylig blevet set af NANOGrav, og vi forventer, at de næste par år vil blive en guldalder for denne type videnskab. De mange forskellige forklaringer på disse signaler er spændende. , men også en labyrint. Vi har brug for en måde at adskille de forskellige mulige kilder fra hinanden. I øjeblikket, dette er ekstremt svært at gøre med pulsar timing array data alene."

Medforfatter professor Alberto Vecchio sagde:"Pulsar-timing-arrays kan tilbyde hidtil uset indsigt i ældgamle kosmologiske processer. At udvikle de sofistikerede metoder til at fortolke disse indsigter vil betyde, at vi virkelig kan begynde at forstå, hvordan vores univers blev dannet og tog form."