Гравітацыйна-хвалевы фон (GWB): прарыў у прамым выяўленні

Гравітацыйная хваля быў упершыню непасрэдна выяўлены ў 2015 годзе пасля стагоддзя прадказанняў Агульнай тэорыі адноснасці Эйнштэйна ў 1916 годзе. Але бесперапынная нізкачашчынная Гравітацыйнае-хвалевы фон (GWB), які, як мяркуецца, прысутнічае ва ўсім сусвет непасрэдна да гэтага часу не выяўлена. Даследчыкі Паўночнаамерыканскай нанагерцавай абсерваторыі Гравітацыйныя хвалі (NANOGrav) нядаўна паведамілі аб выяўленні нізкачашчыннага сігналу, які можа быць "гравітацыйна-хвалевым фонам (GWB)".   

Агульная тэорыя адноснасці, прапанаваная Эйнштэйнам у 1916 годзе, прадказвае, што асноўныя касмічныя падзеі, такія як звышновыя або зліццё чорныя дзіркі павінны вырабляць гравітацыйныя хвалі якія распаўсюджваюцца праз ст Сусвет. Зямля павінна быць залітая гравітацыйныя хвалі увесь час з усіх бакоў, але іх не заўважаюць, таму што яны становяцца надзвычай слабымі да таго часу, як дасягаюць зямлі. На прамое выяўленне гравітацыйнай рабізны спатрэбілася каля стагоддзя, калі ў 2015 годзе каманда LIGO-Virgo здолела выявіць гравітацыйныя хвалі вырабляецца ў выніку зліцця дзвюх чорныя дзіркі знаходзіцца на адлегласці 1.3 мільярда светлавых гадоў ад Зямлі ⁽¹⁾. Гэта таксама азначала, што выяўленая рабізна была носьбітам інфармацыі аб касмічнай падзеі, якая адбылася каля 1.3 мільярда гадоў таму.  

З моманту першага выяўлення ў 2015 годзе значная колькасць гравітацыйная рабізна былі запісаны да гэтага часу. Большасць з іх была звязана з аб'яднаннем двух чорныя дзіркі, некалькі былі з-за сутыкнення дзвюх нейтронных зорак ⁽²⁾. Усе выяўленыя гравітацыйныя хвалі да гэтага часу былі эпізадычнымі, абумоўленымі бінарнай парай чорныя дзіркі або нейтронныя зоркі, якія круцяцца па спіралі і зліваюцца або сутыкаюцца адна з адной ⁽³⁾ і мелі высокую частату, кароткія даўжыні хвалі (у дыяпазоне мілісекунд).   

Аднак, паколькі ёсць магчымасць вялікай колькасці крыніц гравітацыйныя хвалі ў сусвет таму шмат гравітацыйныя хвалі разам з усіх канцоў сусвет можа бесперапынна праходзіць праз зямлю ўвесь час, утвараючы фон або шум. Гэта павінна быць бесперапынным, выпадковым і з нізкай частатой малой хвалі. Мяркуецца, што некаторая яго частка магла нават адбыцца ў выніку Вялікага выбуху. Выклікалі Гравітацыйнае-хвалевы фон (GWB), гэта не было выяўлена да гэтага часу ⁽³⁾.  

Але мы можам быць на парозе прарыву - даследчыкі з Паўночнаамерыканскай нанагерцавай абсерваторыі для Гравітацыйныя хвалі (NANOGrav) паведамілі аб выяўленні нізкачашчыннага сігналу, які можа быць "фонам гравітацыйнай хвалі (GWB) ^(4,5,6).  

У адрозненне ад каманды LIGO-virgo, якая выявіла гравітацыйная хваля з асобных пар чорныя дзіркі, каманда NANOGrav шукала ўстойлівыя, падобныя на шум, "камбінаваныя" гравітацыйная хваля створаны на працягу вельмі доўгага перыяду часу незлічонымі чорныя дзіркі ў сусвет. У цэнтры ўвагі былі "вельмі доўгія хвалі" гравітацыйная хваля на іншым канцы «спектру гравітацыйных хваль».

У адрозненне ад святла і іншых электрамагнітных выпраменьванняў, гравітацыйныя хвалі немагчыма назіраць непасрэдна ў тэлескоп.  

Выбрала каманда NANOGrav millisecond пульсары (MSP), якія круцяцца вельмі хутка з доўгатэрміновай стабільнасцю. Існуе ўстойлівы ўзор святла, які зыходзіць ад гэтых пульсатараў, які павінен быць зменены гравітацыйнай хваляй. Ідэя заключалася ў тым, каб назіраць і кантраляваць ансамбль звышстабільных мілісекундных пульсараў (MSP) для карэляваных змен у часе прыбыцця сігналаў на Зямлю, ствараючы такім чынам "Галактыка-памеру» дэтэктар гравітацыйных хваль у нашым уласным галактыка. Каманда стварыла часавы масіў пульсара, вывучыўшы 47 такіх пульсараў. Абсерваторыя Арэсіба і тэлескоп Грын-Бэнк былі радыё Тэлескопы, якія выкарыстоўваюцца для вымярэнняў.   

Набор дадзеных, атрыманы да гэтага часу, уключае 47 MSP і больш за 12.5 гадоў назіранняў. Зыходзячы з гэтага, немагчыма канчаткова даказаць прамое выяўленне GWB, хоць выяўленыя нізкачашчынныя сігналы вельмі сведчаць аб гэтым. Магчыма, наступным крокам было б уключыць больш пульсараў у масіў і вывучаць іх на працягу больш доўгага перыяду часу для павышэння адчувальнасці.  

Для вывучэння сусветнавукоўцы выключна залежалі ад электрамагнітных выпраменьванняў, такіх як святло, рэнтген, радыё хвалі і г. д. Будучы зусім не звязаным з электрамагнітным выпраменьваннем, выяўленне гравітацыйнага выпраменьвання ў 2015 годзе адкрыла навукоўцам новыя магчымасці для вывучэння нябесных цел і разумення сусвет асабліва тыя нябесныя падзеі, якія нябачныя для электрамагнітных астраномаў. Акрамя таго, у адрозненне ад электрамагнітнага выпраменьвання, гравітацыйныя хвалі не ўзаемадзейнічаюць з матэрыяй, таму распаўсюджваюцца практычна бесперашкодна, нясучы інфармацыю аб сваім паходжанні і крыніцы без якіх-небудзь скажэнняў.⁽³⁾

Выяўленне гравітацыйна-хвалевага фону (GWB) яшчэ больш пашырыла б магчымасці. Можа нават стаць магчымым выявіць хвалі, утвораныя Вялікім выбухам, што можа дапамагчы нам зразумець паходжанне сусвет лепшым чынам.

***

Спасылкі:  

1. Кастэльвекі Д. і Вітцэ А., 2016. Гравітацыйныя хвалі Эйнштэйна знойдзены нарэшце. Навіны прыроды 11 лютага 2016 г. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Кастэльвекі Д., 2020. Што 50 гравітацыйных хваль паказваюць пра Сусвет. Навіны прыроды апублікаваны 30 кастрычніка 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Крыніцы і тыпы гравітацыйных хваль. Даступны ў Інтэрнэце па адрасе https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Доступ 12 студзеня 2021 г. 

4. Супрацоўніцтва NANOGrav, 2021. NANOGrav знаходзіць магчымыя «першыя падказкі» нізкачашчыннага фону гравітацыйнай хвалі. Даступны ў Інтэрнэце па адрасе http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Доступ 12 студзеня 2021 г 

5. NANOGrav Collaboration 2021. Брыфінг для прэсы – Пошук фону гравітацыйнай хвалі за 12.5 гадоў дадзеных NANOGrav. 11 студзеня 2021 г. Даступна ў Інтэрнэце па адрасе http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. Набор дадзеных NANOGrav 12.5 yr: Пошук ізатропнага стохастычнага фону гравітацыйнай хвалі. The Astrophysical Journal Letters, том 905, нумар 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***