Доказательства того, что Земля окутана медленно катящимся морем гравитационных волн

Представление художника о группе пульсаров, которые обнаруживают гравитационные волны от пар вращающихся вокруг сверхмассивных черных дыр. Предоставлено: Аврора Симонне для сотрудничества с NANOGrav.

Ученые сообщают о первых доказательствах того, что наша Земля и вселенная вокруг нас поглощены фоном ряби в пространстве-времени, называемым Землей. гравитационные волны. Волны колеблются очень медленно в течение многих лет и даже десятилетий, и считается, что они возникают в основном из пар сверхмассивных черных дыр, медленно сближающихся по спирали перед слиянием.

15 лет погони

Это новаторское открытие подробно описано в серии статей в в Письма из астрофизического журнала, является результатом 15 лет тщательных наблюдений Североамериканской обсерватории наногерцовых гравитационных волн (НАНОГрав). НАНОГрав является передовым центром физики, финансируемым Национальным научным фондом (NSF), и включает в себя более 190 ученых из США и Канады. Они использовали радиотелескопы в обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии и Очень большой массив в Нью-Мексико, чтобы наблюдать в небе 68 мертвых звезд, называемых пульсарами. Пульсары действовали как сеть буев, качающихся в медленно текущем море гравитационных волн.

Повысьте уверенность в результатах

— говорит Катерина Чациоанноу, член команды НАНОграв и доцент кафедры физики Калифорнийского технологического института. «В будущем мы продолжим предоставлять больше наблюдений и сравнивать наши результаты с результатами международных партнеров, что позволит нам узнать больше данных».

Катрина Хацивану. Предоставлено: Калифорнийский технологический институт.

обнаружение черных дыр

«У нас есть новый способ исследовать, что происходит, когда чудовищные черные дыры в ядрах галактик начинают медленно, но безжалостно скручиваться по спирали смерти», — говорит член команды НАНОграв Джозеф Лацио, главный научный сотрудник Лаборатории реактивного движения.Лаборатория реактивного движения), и приглашенный научный сотрудник по астрономии в Калифорнийском технологическом институте, который руководит Лабораторией реактивного движения для НАСА. «Мы думаем, что этот процесс является стандартным для многих галактик, и мы видели много примеров на разных этапах, но мы, наконец, начинаем заглядывать в один из основных финальных шагов».

Джозеф Лацио. Предоставлено: Калифорнийский технологический институт.

Гравитационные волны — концепция Эйнштейна

Концепция гравитационных волн была впервые предложена Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Однако они не были открыты непосредственно почти столетие спустя при финансовой поддержке Национального научного фонда. Лего (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Они открывают волны от пары сталкивающихся черных дыр.

В отличие от LIGO, который обнаруживает гравитационные волны на гораздо более высокой частоте, НАНОГрав, как следует из названия, фокусируется на более низкочастотных гравитационных волнах в наногерцовом диапазоне, то есть на один цикл каждые несколько лет.

Высокочастотные гравитационные волны исходят от пар меньших черных дыр, которые быстро вращаются вокруг друг друга в последние секунды перед столкновением, в то время как низкочастотные волны, как считается, генерируются массивными черными дырами в сердцах галактик, которые достигают в миллиарды раз больше массы нашего солнца, которые медленно рассеиваются друг вокруг друга и проходят миллионы лет, прежде чем сольются.

Коллективный шум слияния черных дыр

В новых исследованиях считается, что нанограф уловил коллективный гул гравитационных волн от нескольких пар сливающихся сверхмассивных черных дыр по всей Вселенной. «Люди сравнивают этот сигнал скорее с пыхтением в спине, чем с возгласами, которые улавливает LIGO», — объясняет Чациоанноу, который также является членом команды LIGO и научным сотрудником Уильяма Х. Хёрта.

Патрик Майерс. Предоставлено: Калифорнийский технологический институт.

«Это похоже на коктейльную вечеринку, и вы не можете выделить какой-либо отдельный звук. Мы слышим только фоновый шум», — говорит Патрик Майерс, член команды НАНОграв и научный сотрудник Калифорнийского технологического института, который помогал проводить статистические испытания Результаты.

Понимание космического шума

Сеть пульсаров NANOGrav также известна как пульсар— Установите время. Пульсары, образовавшиеся в результате взрывов массивных звезд, испускают быстро вращающиеся световые лучи в очень мельчайших временных масштабах. «Это как маяки маяка, проносящиеся с постоянной скоростью. Вы можете предсказать время на уровне десятков наносекунд. В некоторых случаях они имеют такой же уровень точности, как атомные часы», — говорит Майерс.

Когда гравитационные волны распространяются по Вселенной, они немного растягивают и сжимают ткань пространства-времени. Это расширение и сжатие могут вызвать изменение расстояния между Землей и конкретным пульсаром, задерживая или ускоряя время вспышек света пульсара. Чтобы искать фоновый гул гравитационных волн, научная группа разработала программное обеспечение для сравнения времени пар пульсаров в их сети. Гравитационные волны будут смещать это время на разную степень в зависимости от того, насколько близко пульсары находятся в небе, модель, впервые теоретически рассчитанная Роном Хеллингсом и Джорджем Даунсом из Лаборатории реактивного движения в начале 1980-х годов.

Мишель Валеннери. Предоставлено: Калифорнийский технологический институт.

«Представьте себе много ряби на океане от пар сверхмассивных черных дыр, разбросанных повсюду», — говорит Лацио. «Теперь мы сидим здесь, на Земле, которая действует как буй вместе с пульсарами, и мы пытаемся измерить, как рябь меняется и заставляет другие буи двигаться к нам и от нас».

«Чтобы вывести фон гравитационных волн, нам пришлось идентифицировать множество искажающих факторов, таких как движение пульсаров, возмущения, вызванные свободными электронами в нашей галактике, нестабильность эталонных часов в радиообсерваториях и даже точное местоположение центра галактики. Солнечной системы, которую мы определили с помощью Юноны и Кассини — говорит член команды NANOgrav Мишель Валеснери, старший исследователь Лаборатории реактивного движения и приглашенный научный сотрудник по теоретической астрофизике в Калифорнийском технологическом институте.

Дальнейшие выводы и заключения

Будущие результаты НАНОграв будут включать канадский телескоп CHIME, который присоединился к проекту в 2019 году. Калифорнийский технологический институт Глубокая синоптическая матрица-2000DSA-2000, или массив из 2000 радиоантенн, который планируется построить в пустыне Невада и начать работу в 2027 году, также присоединится к поискам.

Ученые надеются ответить на загадки природы слияний сверхмассивных черных дыр, например, насколько они распространены, что удерживает их вместе и другие факторы, способствующие их слияниям.

«Люди годами пытались найти сверхмассивные черные дыры с помощью телескопов, — говорит Чациоанну. «Они приближаются и находят больше кандидатов, но из-за того, что черные дыры расположены так близко друг к другу, их трудно отличить друг от друга. Использование гравитационных волн в качестве нового инструмента поможет нам лучше понять этих загадочных монстров».

«Это был красивый и невероятный эксперимент: сборка гравитационно-волнового детектора размером с галактику, который пульсирует мертвыми звездами по всей нашей галактике и объединяет междисциплинарную команду радиоастрономов, экспертов по нейтронным звездам и черным дырам, а также специалистов по гравитационно-волновым исследованиям. «, — говорит Валлеснери.

Для получения дополнительной информации об этом исследовании:

Ссылка: «15-летний набор данных NANOGrav: свидетельство существования гравитационно-волнового фона» Габриэлы Агази, Акаша Анумарлабуди, Энн М. Арчибальд, Завена Арзуманяна, Пола Т. Бейкера, Пенса Пикси, Лауры Плеча, Адама Брейзера, Пола Р. Брок, Сара Берк-Споллор, Рэнд Бернетт, Робин Кейс, Мария Чариси, Шами Чаттерджи, Катерина Чациоанноу, Белинда ДеЧезиборо, Сиван Чен, Тайлер Коэн, Джеймс М. Кордес, Нил Г. Корниш, Фронфельд Кроуфорд, Х. Кэтрин Кроттер, Курт Дж. Катлер, Меган Э. Дессар, Даллас Диган, Пол Б. Деморест, Хилинг Дин, Тимоти Долч, Брендан Драхлер, Джастин А. Эллис, Элизабет С. Феррара, Уильям Фьюри, Эмануэль Фонсека, Гэбриел Э. Фридман, Нэйт Гарвер Дэниелс, Питер А. Джентиле, Кайл А. Герсбах, Джозеф Глейзер, Дебора С. Джадд, Кайхан Галтекин, Джеффри С. Хазбоун, Софи Хурихейн, Кристина Айлоу, Росс Дж. Джонс, Эндрю Р. Кайзер, Дэвид Л. Каплан, Люк Золтан Келли, Мэтью Керр, Джой С.К., Тоня К. Кляйн, Нима Лал, Майкл Т. Ламм, Уильям Дж. Наталья Левандовска, Тайсон Б. Литтенберг, Тинтинг Лю, Андреа Люмен, Дункан Р. Лоример, Цзин Лу, Райан С. Линч, Чонг Пей Ма, Дастин Р. Мэдисон, Маргарет А. Мэтсон, Александр МакКуин, Джеймс В. Маки, Мора А. Маклафлин, Наташа МакМахон, Брэдли В. Майерс, Патрик М. Майерс, Кьяра М. Ф. Мингарелли, Андреа Митридат, Приямвада Натараджан, Шерри Нг, Дэвид Г. Несс, Стелла Кох-Окер, Кен Д’Олум, Тимоти Т. Бенуччи, Бенетге Б. П. Перера, Полина Петрова, Нихан С. Пол, Генри А. Радован, Скотт М. Рэнсом, Пол С. Рэй, Джозеф Д. Романо, Шашват С. Сардесай, Энн Шмидекамп, Карл Шмидекамп, Кай Шмитц, Леви Шульт, Брент Дж. Шапиро Альберт, Ксавье Сименс, Джозеф Саймон, Магдалена С. Сивик, Ингрид Х. Стирс, Дэниел Р. Стейнбринг, Кевин Стовалл, Джерри Б. Тейлор, Джейкоб Э. Письма из астрофизического журнала.
DOI: 10.3847/2041-8213/acdac6

Другие члены команды Калифорнийского технологического института и Лаборатории реактивного движения включают постдока Калифорнийского технологического института Аарона Джонсона, который руководил работой по проверке и проверке кода ключевого анализа, который дал все ключевые результаты; Курт Катлер, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения, помогавший в статистической обработке данных; и аспирантка Калифорнийского технологического института Софи Хурихейн, разработавшая новый метод ускорения анализа NANOGrav.

Серия исследовательских работ с подробным описанием новых открытий НАНОграв была опубликована в Письма из астрофизического журнала. Документ, описывающий свидетельства существования гравитационных волн, под названием «15-летний набор данных NANOGrav: доказательства происхождения гравитационных волн», был подготовлен двумя бывшими исследователями из Лаборатории реактивного движения и Калифорнийского технологического института Сарой Вигеланд (сейчас работает в Университете Висконсина, Милуоки). ) и Стивен Тейлор (сейчас работает в Университете Вандербильта).