At skubbe grænsen på ultralavfrekvente gravitationsbølger

Et hold fysikere har udviklet en metode til at detektere tyngdekraftsbølger med så lave frekvenser, at de kunne låse op for hemmelighederne bag de tidlige faser af fusioner mellem supermassive sorte huller, de tungeste objekter i universet.

Metoden kan detektere gravitationsbølger, der svinger kun én gang hvert tusinde år, 100 gange langsommere end nogen tidligere målt gravitationsbølger.

"Dette er bølger, der når os fra de fjerneste hjørner af universet, og som er i stand til at påvirke, hvordan lys bevæger sig," sagde JEFF DROR, Ph.D., en assisterende professor i fysik ved University of Florida og medforfatter af det nye studie. "At studere disse bølger fra det tidlige univers vil hjælpe os med at opbygge et komplet billede af vores kosmiske historie, analogt med tidligere opdagelser af den kosmiske mikrobølgebaggrund."

Dror og hans medforfatter, University of California, Santa Cruz postdoc-forsker William DeRocco, offentliggjorde deres resultater i Physical Review Letters .

Gravitationsbølger er beslægtet med krusninger i rummet. Ligesom lydbølger eller bølger på havet varierer gravitationsbølger i både frekvens og amplitude, information, der giver indsigt i deres oprindelse og alder. Gravitationsbølger, der når os, kan svinge ved ekstremt lave frekvenser, meget lavere end lydbølger, der kan detekteres af det menneskelige øre. Nogle af de laveste frekvenser, der er registreret i fortiden, var så lave som en nanohertz.

"Til reference," forklarede Dror, "frekvensen af ​​lydbølger skabt af et alligatorbrøl er omkring 100 milliarder gange højere end denne frekvens - disse er meget lave bølger."

Deres nye detektionsmetode er baseret på at analysere pulsarer og neutronstjerner, der udsender radiobølger med meget regelmæssige intervaller. Dror antog, at søgning efter en gradvis afmatning i ankomsten af ​​disse impulser kunne afsløre nye gravitationsbølger.

Ved at studere eksisterende pulsardata var Dror i stand til at søge efter gravitationsbølger med lavere frekvenser end nogensinde før, hvilket øgede vores "høreområde" til frekvenser så lave som 10 picohertz, 100 gange lavere end tidligere forsøg, der detekterede bølger på nanohertz-niveau.

Mens gravitationsbølger med frekvenser omkring en nanohertz er blevet opdaget før, ved man ikke meget om deres oprindelse. Der er to teorier. Den førende idé er, at disse bølger er resultatet af en fusion mellem to supermassive sorte huller, hvilket, hvis det er sandt, ville give forskere en ny måde at studere adfærden af ​​disse gigantiske objekter, der ligger i hjertet af enhver galakse.

Den anden hovedteori er, at disse bølger blev skabt af en slags katastrofal begivenhed tidligt i universets historie. Ved at studere gravitationsbølger ved endnu lavere frekvenser kan de muligvis differentiere disse muligheder.

"Når vi ser fremad, er næste skridt at analysere nyere datasæt," sagde Dror. "De datasæt, vi brugte, var primært fra 2014 og 2015, og et stort antal pulsarobservationer er blevet foretaget siden det tidspunkt."

Dror planlægger også at køre simuleringer på falske data ved hjælp af UFs HiPerGator-supercomputer for at optrevle kosmisk historie yderligere. Supercomputeren kan effektivt køre store, komplekse simuleringer, hvilket reducerer den tid, det tager at analysere data betydeligt.

Flere oplysninger: William DeRocco et al., Using Pulsar Parameter Drifts to Detect Subnanohertz Gravitational Waves, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.101403. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2212.09751

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af University of Florida