Bewijs dat de aarde is omhuld door een langzaam rollende zee van zwaartekrachtgolven

Wetenschappers rapporteren het eerste bewijs dat onze aarde, en het universum om ons heen, wordt overspoeld door een achtergrond van rimpelingen in de ruimtetijd die de aarde wordt genoemd zwaartekracht golven. De golven oscilleren in de loop van jaren en zelfs decennia heel langzaam, en er wordt aangenomen dat ze voornamelijk afkomstig zijn van paren superzware zwarte gaten die langzaam naar elkaar toe draaien voordat ze samensmelten.

15 jaar jagen

Deze baanbrekende ontdekking wordt beschreven in een reeks artikelen in de Astrofysische dagboekbrieven, is het resultaat van 15 jaar zorgvuldige observaties door het North American Nanohertz Gravitational Wave Observatory (NANOGrav). NANOGrav, een natuurkundig grenscentrum dat wordt gefinancierd door de National Science Foundation (NSF), omvat meer dan 190 wetenschappers uit de Verenigde Staten en Canada. Ze gebruikten radiotelescopen van het Arecibo Observatory in Puerto Rico, de Green Bank Telescope in West Virginia en de Very Large Array in New Mexico om 68 dode sterren, pulsars genaamd, aan de hemel waar te nemen. De pulsars fungeerden als een netwerk van boeien die dobberden op een langzaam stromende zee van zwaartekrachtgolven.

Bouw vertrouwen op in de resultaten

zegt Katerina Chatzioannou, een NANOGrav-teamlid en assistent-professor natuurkunde bij Caltech. “In de toekomst zullen we meer waarnemingen blijven doen en onze resultaten vergelijken met die van internationale partners, waardoor we meer gegevens kunnen leren.”

Katrina Chatziwanu. Krediet: California Institute of Technology

detectie van zwarte gaten

“We hebben een nieuwe manier om te onderzoeken wat er gebeurt als monsterlijke zwarte gaten in de kernen van sterrenstelsels een langzame maar meedogenloze doodsspiraal beginnen”, zegt NANOGrav-teamlid Joseph Lazio, een hoofdwetenschapper bij JPL.Laboratorium voor straalaandrijving), en een gastonderzoeker in de astronomie aan het California Institute of Technology, die het Jet Propulsion Laboratory leidt voor NASA. “We denken dat dit proces standaard is voor veel sterrenstelsels en we hebben veel voorbeelden gezien in verschillende stappen, maar we beginnen eindelijk een van de belangrijkste laatste stappen te bekijken.”

Joseph Lazio. Krediet: California Institute of Technology

Zwaartekrachtsgolven – het concept van Einstein

Het concept van zwaartekrachtsgolven werd voor het eerst voorgesteld door Albert Einstein in 1916. Ze werden echter pas bijna een eeuw later direct ontdekt door de National Science Foundation, gefinancierd. Lego (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Ze ontdekken golven van een paar botsende zwarte gaten.

In tegenstelling tot LIGO, dat zwaartekrachtgolven met een veel hogere frequentie detecteert, richt NANOGrav zich, zoals de naam al doet vermoeden, op lagerfrequente zwaartekrachtgolven in het nanohertz-bereik, dat wil zeggen een cyclus om de paar jaar.

Hoogfrequente zwaartekrachtgolven zijn afkomstig van paren kleinere zwarte gaten die in de laatste seconden snel om elkaar heen draaien voordat ze botsen, terwijl laagfrequente golven worden gegenereerd door massieve zwarte gaten in de harten van sterrenstelsels, die miljarden malen groter worden dan de massa van onze zon, die Ze langzaam om elkaar heen verstrooien en het duurt miljoenen jaren voordat ze samensmelten.

Het collectieve geroezemoes van samensmeltende zwarte gaten

In de nieuwe studies wordt aangenomen dat een nanograaf het collectieve gezoem van zwaartekrachtgolven heeft opgepikt van verschillende paren samensmeltende superzware zwarte gaten in het universum. “Mensen vergelijken dat signaal meer met een achterwaartse trek dan met de oeps die LIGO oppikt”, legt Chatzioannou uit, die ook lid is van het LIGO-team en een William H. Hurt Scholar.

Patrick Myers. Krediet: California Institute of Technology

“Het is alsof je op een cocktailparty bent en je kunt geen enkel individueel geluid onderscheiden. We horen alleen het achtergrondgeluid”, zegt Patrick Myers, lid van het NANOGrav-team en postdoctoraal onderzoeker bij Caltech, die hielp bij het leiden van de statistische tests van de resultaten.

Kosmische buzz begrijpen

Het NANOGrav-netwerk van pulsars wordt ook wel a pulsar– Tijdstip instellen. Pulsars, gevormd uit de explosies van massieve sterren, zenden snel ronddraaiende bakens van licht uit op zeer kleine tijdschalen. “Dit zijn als bakens van een baken dat met een regelmatige snelheid voorbij vliegt. Je kunt de timing voorspellen op het niveau van tientallen nanoseconden. Ze hebben in sommige gevallen hetzelfde niveau van nauwkeurigheid als atoomklokken”, zegt Myers.

Terwijl zwaartekrachtgolven door het universum reizen, rekken en comprimeren ze het weefsel van ruimte-tijd een beetje. Deze uitzetting en compressie kan een verandering in de afstand tussen de aarde en een bepaalde pulsar veroorzaken, waardoor de timing van de lichtflitsen van de pulsar wordt vertraagd of versneld. Om te zoeken naar het achtergrondgezoem van zwaartekrachtgolven, ontwikkelde het wetenschapsteam software om de timing van paren pulsars in hun netwerk te vergelijken. Zwaartekrachtsgolven zullen deze timing in verschillende mate veranderen, afhankelijk van hoe dicht de pulsars zich in de lucht bevinden, een patroon dat voor het eerst theoretisch werd berekend door Ron Hellings en George Downes in het Jet Propulsion Laboratory in de vroege jaren tachtig.

Michel Valesneri. Krediet: California Institute of Technology

“Stel je voor dat er veel rimpelingen op de oceaan zijn van paren superzware zwarte gaten die overal verspreid zijn”, zegt Lazio. “Nu zitten we hier op aarde, die samen met pulsars als een boei fungeert, en we proberen te meten hoe de rimpelingen veranderen en ervoor zorgen dat andere boeien naar ons toe en van ons af bewegen.”

“Om de zwaartekrachtgolfachtergrond af te leiden, moesten we veel verwarrende invloeden identificeren, zoals de beweging van pulsars, verstoringen veroorzaakt door vrije elektronen in ons sterrenstelsel, de instabiliteit van referentieklokken in radioobservatoria en zelfs de exacte locatie van het centrum van het zonnestelsel, dat we hebben bepaald met de hulp van Juno en Cassini zegt NANOgrav-teamlid Michele Valesneri, senior onderzoeker bij JPL en visiting fellow in theoretische astrofysica bij Caltech.

Verdere conclusies en conclusies

Toekomstige NANOGrav-resultaten omvatten de Canadese CHIME-telescoop, die in 2019 bij het project is gekomen. Diepe synoptische matrix-2000DSA-2000, of een reeks van 2.000 radioantennes die in de woestijn van Nevada zullen worden gebouwd en in 2027 in gebruik zullen worden genomen, zullen ook deelnemen aan de zoektocht.

Wetenschappers hopen mysteries te beantwoorden over de aard van samensmeltingen van superzware zwarte gaten, zoals hoe vaak ze voorkomen, wat ze bij elkaar houdt en andere factoren die bijdragen aan hun samensmeltingen.

“Mensen proberen al jaren met telescopen superzware zwarte gaten te vinden”, zegt Chatzioannou. “Ze komen steeds dichterbij en vinden meer kandidaten, maar omdat de zwarte gaten zo dicht bij elkaar staan, is het moeilijk om ze uit elkaar te houden. Zwaartekrachtsgolven als nieuw hulpmiddel zullen ons helpen deze mysterieuze monsters beter te begrijpen.”

“Dit was een mooi en onwaarschijnlijk experiment: het samenstellen van een zwaartekrachtgolfdetector ter grootte van een melkwegstelsel die dode sterren door ons melkwegstelsel pulseert en een multidisciplinair team van radioastronomen, experts in neutronensterren en zwarte gaten en experts in zwaartekrachtgolfwetenschappers samenbrengt ‘, zegt Vallesneri.

Voor meer informatie over dit onderzoek:

Referentie: “The 15-Year NANOGrav Data Set: Evidence for the Gravitational Wave Background” door Gabriela Agazi, Akash Anumarlabudi, Ann M Archibald, Zaven Arzumanian, Paul T. Brock, Sarah Burke-Spollor, Rand Burnett, Robin Case, Maria Charisi, Shami Chatterjee, Katerina Chatzioannou, Belinda DeChesiborough, Siwan Chen, Tyler Cohen, James M. Cordes, Neil G. Cornish, Fronfeld Crawford, H. Katherine Crotter, Curt J. Cutler, Megan E. Dessar, Dallas Deegan, Paul B. Demorest, Healing Ding, Timothy Dolch, Brendan Drachler, Justin A. Ellis, Elizabeth C. Ferrara, William Fury, Emanuel Fonseca, Gabriel E. Friedman, Nate Garver Daniels, Peter A. Gentile, Kyle A. Gersbach, Joseph Glaser, Deborah C. Judd, Kayhan Gultekin, Jeffrey S. Hazboun, Sophie Hourihane, Christina Islow, Ross J. Jones, Andrew R. Kaiser, David L. Kaplan, Luke Zoltan Kelly, Matthew Kerr, Joy SK, Tonya C. Klein, Nima Lal, Michael T. Lamm, William J. , Natalia Lewandowska, Tyson B. Littenberg, Tingting Liu, Andrea Lumen, Duncan R Lorimer, Jing Lu, Ryan S Lynch, Chong Pei Ma, Dustin R Madison, Margaret A. Mattson, Alexander McQueen, James W Mackey, Maura A. McLaughlin , Natasha McMahon, Bradley W. Myers, Patrick M. Myers, Chiara MF Mingarelli, Andrea Mithridat, Priyamvada Natarajan, Sherry Ng, David G. Ness, Stella Koch-Ocker, Ken D’Olum, Timothy T. Benucci, Benetge BP Perera , Polina Petrov, Nihan S. Pol, Henri A. Radovan, Scott M. Ransom, Paul S. Ray, Joseph D. Romano, Shashwat C. Sardesai, Ann Schmiedekamp, ​​Carl Schmiedekamp, ​​Kai Schmitz, Levi Schult, Brent J. Shapiro Albert, Xavier Siemens, Joseph Simon, Magdalena S Siwick, Ingrid H Steers, Daniel R. Steinbring, Kevin Stovall, Jerry B. Taylor, Jacob E. Astrofysische dagboekbrieven.
DOI: 10.3847/2041-8213/acdac6

Andere Caltech- en JPL-teamleden zijn onder meer Caltech-postdoc Aaron Johnson, die een poging leidde om de sleutelanalysecode die alle belangrijke bevindingen opleverde, te beoordelen en te valideren; Curt Cutler, JPL senior onderzoeker, die hielp bij het opstellen van statistische behandelingen van de gegevens; en Caltech-afgestudeerde Sophie Hourihane, die een nieuwe methode ontwikkelde om NANOGrav-analyses te versnellen.

Een reeks onderzoeksdocumenten met details over de nieuwe NANOGrav-bevindingen is gepubliceerd in Astrofysische dagboekbrieven. Het artikel dat het bewijs voor zwaartekrachtsgolven beschrijft, getiteld “The 15-Year NANOGrav Data Set: Evidence for the Background of Gravitational Waves”, werd mede geleid door twee voormalige JPL/Caltech-onderzoekers Sarah Vigeland (nu aan de Universiteit van Wisconsin, Milwaukee ) en Stephen Taylor (nu aan de Vanderbilt University).