Gökbilimciler, Kozmos’un yerçekimi dalgalarıyla çalkalandığını keşfetti

Çarşamba akşamı, araştırma işbirliklerinden oluşan uluslararası bir konsorsiyum, evrende yankılanan düşük perdeli yerçekimi dalgalarının varlığına dair ikna edici kanıtlar ortaya çıkardı.

Bilim adamları, bu yerçekimi dalgalarının, 10 milyar ışık yılı uzaktaki antik galaksilerin kalbinde yer alan ve bazıları bir milyar güneş büyüklüğünde olan binlerce süper kütleli kara delik çiftlerinin toplu yankısı olduğundan şiddetle şüpheleniyorlar. birleştirin ve uzay-zamanda dalgalanmalar oluşturun.

Kuzey Amerika Nanohertz Yerçekimi Dalgaları Gözlemevi’nin veya çabaya öncülük eden NANOGrav işbirliğinin bir parçası olan Oregon Eyalet Üniversitesi’nden fizikçi Xavier Siemens, “Bunu bir koro veya orkestra olarak düşünmeyi seviyorum” dedi. Siemens, her bir süper kütleli karadelik çiftinin farklı bir nota ürettiğini ve “aldığımız şey, aynı anda tüm bu sinyallerin toplamıdır” dedi.

NANOGrav’ın veri toplamaya başlamasından 15 yıl sonra gelen bulgular merakla bekleniyordu. Bilim adamları, şu ana kadar sonuçların, madde ve enerjinin yerçekimi dediğimiz şeyi yaratmak için uzay-zamanı nasıl büktüğünü açıklayan Albert Einstein’ın genel görelilik teorisiyle tutarlı olduğunu söylediler. Daha fazla veri toplandıkça, bu kozmik uğultu, araştırmacıların evrenin mevcut yapısına nasıl ulaştığını anlamalarına yardımcı olabilir ve belki de 13,7 milyar yıl önceki Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra var olmuş olabilecek egzotik madde türlerini ortaya çıkarabilir.

Yale Üniversitesi’nden bir astrofizikçi ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen NANOGrav’ın bir üyesi olan Chiara Mingarelli, “Yerçekimi dalgası arka planı her zaman bulunabilecek en gürültülü, en bariz şey olacaktı” dedi. “Bu gerçekten evreni gözlemlemek için yepyeni bir yolun başlangıcı.”

Perşembe günü, NANOGrav işbirliği, sonuçlarını resmi olarak duyurmak için bir halk bilgilendirme brifingini yayınladı. Ulusal Bilim Vakfı Matematiksel ve Fiziksel Bilimler Müdürlüğü müdür yardımcısı Sean Jones, “Bugünkü duyuru statik bir evren algısını yerle bir ediyor” dedi. “Bu gözlemler, yerçekimi dalgalarının kozmik senfonisi ile yaşayan, dönen, gürültülü bir evreni ortaya koyuyor.”

Mingarelli, yerçekimi dalgalarının, yıldız cesetlerinin dönen kalıntıları, yörüngede dönen karadelikler ve hatta “do-si-do yapan” iki kişi gibi dönen herhangi bir nesne tarafından yaratıldığını söyledi. Ancak diğer dalga türlerinin aksine, bu dalgacıklar uzay-zamanın dokusunu esnetiyor ve sıkıştırıyor, yanlarından geçtikleri gök cisimleri arasındaki mesafeleri büküyor.

Mingarelli, “Kulağa çok bilimkurgu geliyor,” dedi. “Ama bu gerçek.”

Yerçekimi dalgalarının keşfi ilk olarak 2016 yılında Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory veya LIGO işbirliği ile duyurulmuştu; atılım, Einstein’ın genel görelilik teorisini evrenin doğru bir modeli olarak sağlamlaştırdı ve projenin kurucularına 2017’de Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı. Ancak LIGO’nun sinyalleri çoğunlukla birkaç yüz hertz frekans aralığındaydı ve bireysel çiftler tarafından yaratıldı. Güneşimizden 10 ila 100 kat daha büyük olan kara delikler veya nötron yıldızları.

Buna karşılık, bu çalışmaya katılan araştırmacılar, her yerden aynı anda yayılan çok daha düşük frekanslarda – bir hertz’in milyarda biri, işitilebilir aralığın çok altında – kolektif bir uğultu arıyorlardı.

Mingarelli, en düşük frekanslarda, bu uğultu o kadar yüksek ki, “süper kütleli kara delik ikili dosyalarının kozmik birleşme geçmişinden gelen yüzbinlerce veya muhtemelen bir milyon örtüşen sinyalden geliyor olabilir” dedi.

Sinyal, pulsar adı verilen hızla dönen yıldızların davranışlarını inceleyerek keşfedildi ve 1993’te iki bilim adamına yerçekimi dalgalarının etkilerini dolaylı olarak ölçerek Nobel Fizik Ödülü kazandıran bir yöntem kullanıldı.

NANOGrav ekibi eş zamanlı olarak The Astrophysical Journal Letters’da dört çalışma ve ayrıca ön baskı sunucusu arXiv.org’da verilerin toplanmasını ve analizini ve sonucun farklı yorumlarını detaylandıran iki makale yayınladı.

Sinyal, yörüngedeki süper kütleli karadelik çiftlerinden geliyorsa, yerçekimi dalgası arka planını incelemek, bu sistemlerin ve onları çevreleyen galaksilerin evrimsel tarihine ışık tutacaktır. Ancak yerçekimi dalgası arka planı, uzay-zamandaki kozmik sicimler olarak bilinen varsayımsal çatlaklar gibi başka bir şeyden de gelebilir.

Veya başlangıcından itibaren 400.000 yıl içinde evrenin yapısı hakkında temel keşiflere yol açan kozmik mikrodalga arka plana benzeyen Büyük Patlama’nın bir kalıntısı olabilir. Mingarelli, yerçekimi dalgası arka planının daha da iyi bir ilkel sonda olacağını, çünkü neredeyse anında yayılacağını söyledi.

Araştırmacılar yerçekimi dalgası arka planını tespit etmek için Samanyolu boyunca yayılmış pulsarların deniz feneri benzeri doğasından yararlandılar. Cornell Üniversitesi’nden bir astronom olan Lucky Cromartie Perşembe günkü basın toplantısında, “Dedektörümüz bir laboratuvarda inşa edebileceğiniz veya hatta uzaya fırlatabileceğiniz bir şey değil,” dedi. “Galaksinin boyutuna daha yakın.”

Pulsarlar, Dünya’da periyodik olarak ölçülebilen radyo dalgaları yayan kozmik saatler gibi davranırlar. Einstein’ın genel görelilik teorisi, yerçekimi dalgalarının pulsarları geçerken, bu nesneler ile Dünya arasındaki mesafeyi genişletip küçülterek radyo sinyallerinin gözlemcilere ulaşma süresini değiştirmesi gerektiğini öngörür. Ve eğer yerçekimi dalgası arka planı gerçekten de her yerdeyse, evrendeki pulsarlar birbiriyle ilişkili bir şekilde etkilenmelidir.

NANOGrav ekibi, özel bir alet inşa etmek yerine, dünyanın dört bir yanındaki mevcut radyo teleskoplarından yararlandı: New Mexico’daki Çok Büyük Dizi, Batı Virginia’daki Green Bank Teleskopu ve Porto Riko’daki Arecibo Gözlemevi (üç yıl önce önemli çöküşünden önce). .

In 2020, after more than 12 years of gathering data, the NANOGrav team released results from monitoring the timing of 45 pulsars. Even then, Siemens said, the researchers saw tantalizing hints of a gravitational-wave background, but they needed to track more pulsars for longer amounts of time to confirm that they were indeed correlated, and to claim a discovery. So the NANOGrav team approached colleagues through the International Pulsar Timing Array — an umbrella organization that includes collaborations based in India, Europe, China and Australia — and coordinated an effort to uncover the gravitational-wave background together.

Çarşamba’ya hızlı ileri sarın: Her bir işbirliği, bağımsız olarak toplanan verilerden elde edilen sonuçları yayınlıyor ve bunların tümü, bir yerçekimi dalgası arka planının varlığını destekliyor. NANOGrav ekibi, her biri en az üç yıl boyunca izlenen 67 pulsardan 15 yıllık ölçümlerle en geniş veri setine sahiptir.

Bulgular, 3.5 ila 4-sigma aralığında bir güven düzeyi taşıyor; bu, fizikçilerin bir dumanlı silah keşfini iddia etmeleri için genel olarak bekledikleri 5-sigma standardından biraz çekingen. Mingarelli, bunun, bunun gibi bir sonucu rastgele görme ihtimalinin 1000 yılda yaklaşık 1 olduğu anlamına geldiğini söyledi. “Bu benim için yeterince iyi, ama diğer insanlar milyon yılda bir istiyor,” dedi. “Eninde sonunda oraya varacağız.”

Çalışmaya dahil olmayan Michigan Üniversitesi’nden astrofizikçi Marcelle Soares-Santos, bunun erken bir kanıt olmasına rağmen sonuçların cazip olduğunu kabul etti. “Bu, topluluğun bir süredir beklediği bir şey” dedi ve diğer pulsar zamanlama işbirliklerinden bağımsız ölçümlerin bulguları güçlendirdiğini de sözlerine ekledi.

Yine de, Soares-Santos, yerçekimi dalgası arka planının gelecekteki araştırmalar üzerinde ne gibi bir etkisi olabileceğini söylemek için çok erken olduğunu söyledi. Birçok NANOGrav işbirlikçisinin inandığı gibi, sinyal gerçekten süper kütleli karadeliklerin yavaş, içe doğru sarmal hareketlerinden geliyorsa, bilim adamlarının erken galaksilerin nasıl birleştiğine ve sonunda komplekse yerleşen daha büyük yıldız ve toz sistemleri oluşturduğuna dair bildiklerini artıracaktır. bugün görülen yapılar

Ancak dalgacıklar Büyük Patlama’dan kaynaklandıysa, bunun yerine kozmosun genişlemesi veya karanlık maddenin doğası – bilim adamlarının evreni bir arada tuttuğunu düşündüğü görünmez yapıştırıcı – hakkında fikir verebilir ve hatta belki de bir zamanlar var olan yeni parçacıkları veya güçleri ortaya çıkarabilir. (Uzmanlar, yerçekimi dalgası arka planının birden fazla kaynaktan da kaynaklanabileceğini belirtti; bu durumda zorluk, ne kadarının nereden geldiğini çözmek olacaktır.)

NANOGrav ekibi, 115 atarcanın yaklaşık 25 yıllık ölçümlerine eşit olan, dünya genelindeki yerçekimi dalgası işbirliklerinden elde edilen tüm verileri analiz etmeye şimdiden çalışıyor. Bu sonuçların yaklaşık bir yıl içinde açıklanacağını söyleyen Siemens, bunların 5-sigma keşif seviyesini aşmasını beklediğini de sözlerine ekledi.

Ancak yerçekimi dalgası arka planının kaynağını doğrulamak için birkaç yıl daha gerekebilir. Araştırmacılar, evrenin haritalarını bir araya getirmek ve tek bir süper kütleli kara delik ikilisini gösteren yoğun, yakın yerçekimi dalgası sinyallerinin bölgelerini aramak için verilerini kullanmaya çoktan başladılar. Bu haritaları analiz etmeyi ve galaktik jetler, kozmik sicimler veya solucan delikleri gibi daha da egzotik fenomenleri araştırmayı dört gözle bekleyen Mingarelli, eğlencenin başladığı yerin burası olduğunu söyledi.

Soares-Santos, bunu 1960’larda fizikçilerin erken evren hakkındaki bilgilerini değiştiren kozmik mikrodalga arka planın keşfiyle karşılaştırarak, “Bu gerçekten çığır açıcı bir şeye yol açabilir,” dedi.

Perşembe günkü basın toplantısında, West Virginia Üniversitesi’nde bir NANOGrav işbirlikçisi olan Maura McLaughlin, araştırmanın bir sonraki aşaması konusunda hevesliydi. “Kesinlikle beklenmeyeni bekliyoruz” dedi. “Tek yapmamız gereken dinlemeye devam etmek.”