امواج گرانشی زمزمه پس زمینه ای را در سراسر جهان ایجاد می کنند

به گفته اخترشناسانی که پس‌زمینه امواج گرانشی را کشف کرده‌اند، تار و پود جهان دائماً در حال موج می‌باشد. این امواج ممکن است ناشی از ادغام سیاهچاله های کلان پرجرم در سراسر جهان باشد، اما ممکن است منشأ عجیب تری نیز داشته باشند، مانند امواج باقیمانده فضا-زمان که اندکی پس از انفجار بزرگ ایجاد شدند. تعیین ماهیت واقعی آن‌ها می‌تواند به ما در مورد چگونگی رشد سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم و تأثیر آن بر کهکشان‌های میزبان خود، یا حتی در مورد چگونگی تکامل جهان در لحظات اولیه‌اش بگوید.

برای یافتن این وزوز مرموز، ستاره شناسان ستاره های نوترونی به نام تپ اخترهایی که به سرعت در حال چرخش هستند را ردیابی کرده اند که به طور منظم نور ساطع می کنند. با مشاهده تپ اخترهای مختلف در سراسر کهکشان راه شیری، اخترشناسان می توانند به طور موثر از آنها به عنوان آشکارساز امواج گرانشی به اندازه کهکشان به نام آرایه زمان بندی تپ اختر استفاده کنند.

در حالی که امواج گرانشی منفرد، که موج‌هایی در فضا-زمان ناشی از برخورد اجسام عظیم هستند، از اولین کشف در سال 2015 به طور منظم دیده شده‌اند، هدف این تحقیق متفاوت است. همه این امواج گرانشی قبلی منشأ محلی دارند و صدها بار در ثانیه بالا و پایین می‌شوند، اما سیگنال تازه کشف‌شده بیشتر شبیه یک موج گرانشی پس‌زمینه است که در فرکانس‌های بسیار پایین‌تری در کل کیهان نفوذ می‌کند، شبیه امواج مایکروویو کیهانی. پس زمینه، که تشعشع به جا مانده از انفجار بزرگ است که امروزه در سراسر کیهان دیده می شود.

در سال 2021، اولین اشاراتی وجود داشت که رصدخانه امواج گرانشی نانوهرتز آمریکای شمالی (NANOGrav)، یک همکاری مستقر در ایالات متحده که در سال 2007 آغاز شد و از یک آرایه تپ اختر زمان‌بندی استفاده می‌کرد، این پس‌زمینه موج گرانشی را با استفاده از تلسکوپ‌های رادیویی شناسایی کرده بود.

ستاره شناسان با اندازه گیری سیگنال های نوری تپ اخترها هنگام رسیدن به زمین و بررسی نوسانات زمانی کوچکی که ممکن است در اثر امواج در فضا-زمان ایجاد شوند، تصور کردند که نشانه هایی از یک فرآیند مشترک پیدا کرده اند که زمان بندی همه تپ اخترها را به یک شکل تحت تاثیر قرار می دهد. . . با این حال، در آن زمان، آنها فاقد امضای پیش‌بینی‌شده توسط نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین بودند که بر این همهمه در مقیاس کیهانی تأکید کند.

اکنون، پس از 15 سال مشاهدات، تیم NANOGrav برای اولین بار این علامت را در سیگنال، در طیف وسیعی از فرکانس‌های امواج گرانشی مختلف مشاهده کرده است. جیمز مک کی یکی از اعضای تیم در دانشگاه هال بریتانیا می گوید: “این از یک اشاره وسوسه انگیز به چیزی تبدیل شد که شواهد بسیار قوی برای پس زمینه موج گرانشی است.”

از آستانه آماری عبور نکرده است که دانشمندان باید آن را تشخیص قطعی پس‌زمینه موج گرانشی بنامند، اما ستاره‌شناسان راحت آن را شواهد بسیار قوی، در سطح 3 سیگما از اهمیت آماری می‌خوانند، که به معنای احتمال چنین چیزی است. سیگنالی که در غیاب پس‌زمینه موج گرانشی تشکیل می‌شود، حدود 1 در 1000 است.

سه گروه دیگر زمان‌بندی تپ‌اختر (PTA) که شامل اروپا، هند (EPTA)، چین (CPTA) و استرالیا (PPTA) هستند، امروز نتایج خود را منتشر کردند. CPTA ادعا می کند که پس زمینه موج گرانشی را در سطح اطمینان بالاتری نسبت به NANOGrav، اما فقط برای یک فرکانس پیدا می کند، در حالی که EPTA و PPTA هر دو نشانه هایی از آن را در سطح آماری کمی ضعیف تر می بینند.

مگان دسزار، عضو تیم NANOGrav از دانشگاه جورج میسون در ویرجینیا، می‌گوید: «آن‌ها همچنین شروع به دیدن یک سیگنال بسیار متمایز از همبستگی در داده‌های خود کرده‌اند. “همه ما به نوعی آن را می بینیم، که بسیار هیجان انگیز است زیرا این نشان می دهد که شاید واقعی باشد.”

مقیاس عظیم

آریس کاراسترجیو از دانشگاه آکسفورد می‌گوید، اما تایید این سیگنال‌ها و کسب اطمینان بیشتر در مورد آنها کار آسانی نیست. “این در مقیاس بسیار بزرگ است، با داده های بسیار دشوار برای کار کردن.”

پس زمینه موج گرانشی ناچیز است – قدرت سیگنالی که اخترشناسان باید استخراج کنند در مقایسه با نویز گرفته شده در همان زمان تقریباً یک قسمت در یک کوادریلیون است، در حالی که امواج گرانشی خود حدود یک سال نوری – بیش از 9 تریلیون کیلومتر – بیش از یک طول موج. به همین دلیل است که تپ اخترها که فاصله مناسبی دارند و از حساس ترین ساعت های کیهان در نظر گرفته می شوند، کلید این تحقیق هستند. اگر پس‌زمینه ثابت امواج گرانشی، تمام فضا-زمان را منحرف کند، باید تمام تپ‌اخترهای نور را نیز به یک شکل تحت تأثیر قرار دهد، اما اندازه‌گیری آن با توجه به بسیاری از عوامل دیگر که ممکن است بر زمان‌بندی سیگنال‌های هر تپ‌اختر تأثیر بگذارد، آسان نیست. در آرایه

مکی می‌گوید: «ما باید بتوانیم همه آنها را مسئول بدانیم و این به زمان زیادی نیاز دارد. سال‌ها رصد طول می‌کشد، و درک زیادی از ویژگی‌های نویز بی‌نظمی چرخش، محیط بین‌ستاره‌ای و چیزهایی از این قبیل لازم است.»

تنها در حال حاضر تیم‌های آرایه زمان‌بندی تپ‌اختر به اندازه کافی به داده‌های خود اطمینان دارند تا بتوانند الگوی متمایز در سیگنال پیش‌بینی‌شده توسط نسبیت عام را شناسایی کنند. همانطور که ستاره شناسان جفت تپ اخترها را در سراسر آسمان ردیابی می کنند، تفاوت های زمانی در نور آنها باید در مقیاس بزرگ با افزایش زاویه بین آنها کمتر مشابه شود. دلیل این امر این است که نور تپ اخترهایی که نزدیک به آسمان به نظر می رسند مسیر مشابهی را به سمت زمین طی کرده است، به این معنی که مسیر مشابهی را از طریق پس زمینه موج گرانشی تجربه می کند، در حالی که نور آنهایی که دورتر از هم ظاهر می شوند، مسیرهای متفاوتی را طی می کند.

به لطف عجیب بودن نسبیت عام، این رابطه در واقع برای تپ اخترهای بسیار مجزا منعکس می شود، با تفاوت های مشابه در زمان بندی زمانی که تپ اخترها را در طرف های مخالف آسمان مقایسه می کنید. کل این الگو را می توان با استفاده از نموداری به نام منحنی هلینگز-داونز توصیف کرد و این الگوی است که NANOGrav در سال 2021 از دست داد.

کارلو کنتالدی از امپریال کالج لندن می گوید: «آنها نمی توانند آن را به طور خاص توصیف کنند و بگویند، بله، این امواج گرانشی است. اما اکنون که آنها منحنی هلینگز-دانز را اندازه‌گیری کرده‌اند، این واقعاً فقط یک تفنگ محکم است.

تفاسیر رقابتی

بنابراین، با فرض باقی ماندن سیگنال در حالی که ستاره شناسان داده های بیشتری را جمع آوری می کنند، چه چیزی باعث ایجاد پس زمینه موج گرانشی می شود؟

توضیح اصلی شامل ادغام جفت سیاهچاله های کلان پرجرم (SMBH) است، سیاهچاله های پرجرم که در مرکز بسیاری از کهکشان ها یافت می شوند که میلیون ها برابر خورشید جرم دارند. هنگامی که این اجرام در مدار اطراف یکدیگر قفل می شوند، به نام باینری، حداکثر جرم آنها باید در فضا-زمان در همان باند فرکانسی که آرایه های زمان بندی تپ اختر برای پس زمینه موج گرانشی اندازه گیری می کنند، خم شود. از آنجایی که این رویدادها در سراسر جهان، هم در زمان و هم در مکان اتفاق می‌افتند، امواجی که تولید می‌کنند باید با هم همبستگی داشته باشند تا زمزمه‌ای متمایز ایجاد کنند که جهان را فرا گرفته است.

«ضروری است که اینها [pairs of] یکی از اعضای تیم لورا پلچا از دانشگاه فلوریدا می‌گوید: «سیاه‌چاله‌های بزرگ در نهایت با هم گروه می‌شوند تا دوتایی‌ها را تشکیل دهند. “فقط یک موضوع مربوط به مقیاس زمانی است که در آن آنها به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک می شوند تا این امواج گرانشی را تولید کنند که NANOGrav و دیگر آرایه های زمان بندی تپ اختر می توانند نظارت کنند.”

اگرچه این توضیح بسیار منطقی است، وقتی پلچا و همکارانش پس‌زمینه موج گرانشی ایجاد شده از ادغام سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم در سراسر جهان را مدل‌سازی کردند، سیگنالی کمی متفاوت از سیگنال NANOGrav پیدا کردند که نشان می‌دهد این غول‌های کیهانی یا پرجرم‌تر هستند یا عظیم تر بیشتر از آنچه قبلاً تصور می شد در جهان رایج است. اگر درست باشد، می‌تواند درک ما را از شکل‌گیری کهکشان‌ها و نحوه ساختار جهان در مقیاس‌های بزرگ تغییر دهد.

یکی از راه‌های پشتیبانی از تفسیر سیاه‌چاله‌های پرجرم، دیدن سیگنال پس‌زمینه موج گرانشی است که شدت آن در قسمت خاصی از آسمان افزایش می‌یابد، که می‌تواند در اثر ادغام نزدیک ایجاد شود. PPTA استرالیا در تجزیه و تحلیل خود نکاتی را در این مورد می بیند، اما هنوز برای گفتن این موضوع زود است.

نلسون کریستنسن از کالج کارلتون در مینه‌سوتا می‌گوید در سیگنال NANOGrav به اندازه کافی عدم قطعیت وجود دارد که دری برای توضیحات جایگزین باز است. ما صدها مقاله از نظریه پردازان در روزهای آینده خواهیم داشت و آنها مدل های دیگر را ارائه می دهند.

یک احتمال این است که امواج پس‌زمینه ناشی از نقص‌هایی در کیهان بسیار اولیه در هنگام تغییر فاز هستند. ایده این است که این اثری در فضا-زمان باقی می گذارد، مانند شکاف هایی که هنگام یخ زدن آب به یخ ایجاد می شود. دلیل دیگر این است که پس زمینه در واقع از امواج گرانشی اولیه طولانی مدت تشکیل شده است که توسط کیهان به سرعت در حال انبساط اندکی پس از انفجار بزرگ در دوره ای به نام تورم کیهانی تولید می شود.

هیچ چیز مستثنی نیست

پدرو فریرا از دانشگاه آکسفورد می‌گوید، با این حال، داده‌ها در حال حاضر به اندازه کافی دقیق نیستند که بتوان این یا سناریو را رد کرد. مشکل این است، بله، این می تواند هر تعداد از انواع فیزیک جدید باشد، اما شما واقعا نمی توانید آنها را از هم تشخیص دهید.

برای حل آن، به داده های بیشتری نیاز داریم. تلسکوپ های اخیراً ساخته شده مانند FAST در چین و MeerKAT در آفریقای جنوبی، و همچنین آرایه کیلومتر مربع، بزرگترین تلسکوپ جهان در حال ساخت در استرالیا و آفریقای جنوبی، به ما امکان می دهد تپ اخترها را بیشتر و با دقت بیشتری اندازه گیری کنیم. مکی می‌گوید، مشاهده تپ‌اخترهای جدید و منظم‌تر نیز کمک خواهد کرد.

ترکیب مجموعه داده‌های همه مناطق مختلف آموزش از راه دور در یک همکاری جهانی، امکان تجزیه و تحلیل دقیق‌تر را فراهم می‌کند. برخی تپ اخترها وجود دارند که فقط تلسکوپ های استرالیایی می توانند آن ها را ببینند و عکس آن در مورد تلسکوپ های اروپایی صادق است. دی سزار می گوید، تجزیه و تحلیلی که همه یافته ها را ترکیب می کند، باید در سال های آینده منتشر شود.

کریستنسن می گوید: «این یک عصر طلایی برای امواج گرانشی است. “در حدود هشت سال، نه تنها امواج گرانشی را روی زمین شناسایی کرده ایم، بلکه اکنون آنها را به روشی کاملاً متفاوت در فرکانس کاملاً متفاوت شناسایی کرده ایم – که بسیار هیجان انگیز است.”