Gökbilimciler, evrende gümbürdeyen ekstra düşük bir uğultu buldular.

Bugün duyurulan keşif, uzay-zamandaki ekstra büyük dalgacıkların sürekli olarak uzayı sıkıştırdığını ve şeklini değiştirdiğini gösteriyor. Bu yerçekimi dalgaları, ilk olarak 2015'te Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) deneyi tarafından toplanan kara delik çarpışmalarından gelen yankıların kuzenleridir. bu yerçekimi dalgalarından birinin ışık hızında geçmesi.

Bulgu, evrende tamamen yeni bir pencere açtı; milyarlarca güneş kütlesine sahip kara deliklerin kozmik dönüşü veya muhtemelen daha egzotik (ve hala varsayımsal) göksel hayaletler gibi daha önce gizlenmiş fenomenleri ortaya çıkarmayı vaat ediyor.

İsviçre'deki Cenevre Üniversitesi ve CERN'de teorik fizikçi olan ve çalışmaya doğrudan dahil olmayan Chiara Caprini, "Bu çok güzel," dedi. “Evrenin gözlemlenmesinde yeni bir dönem açıldı.”

Sonuçlar, ABD, Avrupa, Avustralya ve Çin merkezli dört ekip tarafından on yıldan uzun bir süre öncesine uzanan çalışmalardan geliyor. Bugün koordineli bir şekilde veri açıklaması, ekipler, pulsar denilen nesnelerin inanılmaz derecede düzenli vuruşlarındaki değişiklikleri izleyerek tespit edilen yerçekimi dalgalarının arka plan "uğultusuna" dair kanıt sunuyor.

Uzun dalga boyundaki yerçekimi dalgaları kozmik çevremizden geçerken etrafımızdaki uzay-zamanı bozarlar, bu da bir pulsarın darbelerinin varış zamanını değiştirir. Araştırmacılar, sinyali almak için onlarca yıl boyunca düzinelerce farklı atarcadaki bu varış zamanlarının korelasyonlarını haritalamak zorunda kaldılar. Vanderbilt Üniversitesi'nde astrofizikçi ve Kuzey Amerika Nanohertz Yerçekimi Dalgaları Gözlemevi olarak bilinen ekibin başkanı Stephen Taylor, "Bunu ilk gördüğümde kelebeklerim vardı" dedi. NANOGrav. "Sonunda bunun hakkında konuşabileceğimiz için çok heyecanlıyım."

Büyük ihtimalle yerçekimi dalgaları, birleşen galaksilerin içinde birbirinin etrafında dönen süper kütleli karadelik çiftlerinden geliyor. Ama tamamen başka bir şey görüyor olabiliriz, belki de uzay-zamanın kendisinde kozmik sicimler denen enerji döngülerinden kaynaklanan kırılmalar gibi egzotik bir şey görüyor olabiliriz.

Çalışmada yer almayan Madrid Özerk Üniversitesi'nden teorik kozmolog Juan García-Bellido, "Arka plandaki yerçekimi dalgaları fikrini ilk kez bulmak büyüleyici" dedi. "Gerçekten Nobel ödüllü bir araştırma."

Galaksi Boyutunda Bir Hack

Bu keşfin hikayesine başlamanın iki yolu var. İlki, her zamanki gibi, Albert Einstein ile. 1915'teki genel görelilik teorisi, evrenin, kara delikler ve yıldızlar gibi nesnelerin oturduğu bir uzay-zaman okyanusu olduğunu öne sürdü. Bu nesnelerin hareketleri, bu uzay-zaman okyanusunda dalgalanmalar - yerçekimi dalgaları - gönderirdi.

Hikayeye başlamak için diğer yer 1967'de, Kuzey İrlanda, Lurgan'dan Jocelyn Bell adlı bir yüksek lisans öğrencisi ile. İngiltere, Cambridge yakınlarında yapımına yardım ettiği bir radyo teleskobunu kullanarak, uzayda alışılmadık bir sinyal gördü bu her saniye tekrarlandı. O ve diğer gökbilimciler daha sonra bu sinyalleri, ölü yıldızların hızla dönen çekirdekleri olan pulsarlar olarak bilinen yeni bir göksel nesne sınıfı olarak sınıflandırdılar. Bugün, bazılarının son derece hızlı dönerek saniyede yüzlerce hatta binlerce kez düzenli radyo dalgası darbeleri yaydığı biliniyor.

Pulsarların kronometre benzeri düzenliliği, onları değerli kozmik zaman tutucular yapar. 1983'te ABD'li astronomlar Ron Hellings ve George Downs onları kullanmanın yeni bir yolunu önerdiler: Eğer yerçekimi dalgaları uzay-zamanı sıkıştırıp esnetiyorsa, bu hareket varış saatini değiştir pulsarların radyo flaşlarından.

Anahtar, birçok pulsar çiftine bakmak ve zaman gecikmelerini karşılaştırmaktır. Wisconsin Üniversitesi, Milwaukee'de astrofizikçi ve NANOGrav'ın Yerçekimi Dalgası Algılama Çalışma Grubu başkanı Sarah Vigeland, "Gökyüzünde birbirine yakınlarsa, ikisi de er ya da geç olacaklar" dedi. "Onları birbirinden ayırdıkça, senkronize olmuyorlar ama tahmin edebileceğiniz bir şekilde."

Bu dalgalanmaları yakalamak için, NANOGrav gibi pulsar zamanlama dizileri, uzun yıllar boyunca birçok pulsarı gözlemlemek için birden fazla radyo teleskop kullanır. Bu projeler, LIGO'nun ve dünyaya bağlı diğer gözlemevlerinin kozmik kuzenleridir. yerçekimi dalgalarını tespit etmek iki kolunun göreceli uzunluklarındaki küçük değişiklikleri arayarak.

LIGO'nun kollarının her biri dört kilometre uzunluğunda olsa da, atarca zamanlama dizileri, Dünya'dan her bir atarcaya olan mesafeyi çok daha büyük bir kol - yüz veya binlerce ışıkyılı uzunluğunda - etkili bir şekilde kullanır. Taylor, "Aslında yaptığımız şey, dev bir yerçekimsel dalga anteni yapmak için tüm galaksiyi hacklemek," dedi.

Bu daha uzun mesafe, pulsar zamanlama dizilerini farklı bir yerçekimi dalgası çeşitliliğine duyarlı hale getirir. LIGO, yıldız büyüklüğündeki karadelikler birleşmeden önce saniyede onlarca veya yüzlerce kez yörüngede dolandıklarında meydana gelebilecek yüksek frekanslı yerçekimi dalgalarını tespit edebilirken, pulsar zamanlama dizileri yıllar hatta on yıllar boyunca meydana gelen süreçlere karşı hassastır. Pulsar zamanlama dizilerinin uzun yıllara dayanan verilere ihtiyaç duymasının bir nedeni de budur - tek bir dalganın geçmesi on yıl alıyorsa, onu yalnızca birkaç ayda tespit edemezsiniz.

Bugün veri yayınlayan dört gruptan NANOGrav, sonucuna en çok güvenenidir. Proje 2007'de kuruldu ve büyük ölçüde Batı Virginia'daki Green Bank Teleskobu ile Porto Riko'daki (ki bu 2020'nin sonlarında çöktüNANOGrav'ın 15 yıllık veri toplamasının sonuna doğru). Taylor, "Hala Arecibo'nun kaybının yasını tutuyoruz," dedi.

Dünyanın farklı yerlerinde ayrı pulsar zamanlama dizisi projeleri de kuruldu. Birlikte Uluslararası Pulsar Zamanlama Dizisini oluşturan dört ekip, bugünün duyurularını koordine etti, ancak henüz birleşik bir veri analizi gerçekleştirmediler. Avustralya'daki Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization'da astronom olan ve o ülkenin Parkes Pulsar Timing Array ekibinin bir parçası olan Andrew Zic, "Karmaşık," dedi. "Daha birleşik bir şey olmaya doğru ilerlemeye hazırız."

2020'de NANOGrav, 12.5 yıllık gözlemlerden elde edilen ön verileri yayınladı. Bunlar bir gösterdi yerçekimi dalgalarının geçici ipucu 45 pulsarın nabzını etkiliyor.

Şimdi, yaklaşık iki düzine kaynaktan gelen verilerin yanı sıra birkaç yıllık veri daha eklediler ve daha tutarlı bir model ortaya çıktı. Vigeland, "Gerçekten bize sıçradı," dedi.

Ulusal Radyo Astronomi Gözlemevinde astronom ve NANOGrav'ın kurucu üyelerinden Scott Ransom, “Zamandaki birkaç yüz nanosaniyelik sapmalara bakıyoruz” dedi. Verilerde, Hellings-Downs eğrisi adı verilen ve gördükleri şeyin yerçekimi dalgası arka planı olduğundan emin olmalarını sağlayan belirli bir model tespit ettiler. "Bu yerçekimi dalgalarının dumanı tüten silahı."

Altı teleskopla 25 yılda 25 pulsarı gözlemleyen Avrupa ekibi, zamanlama gecikmelerine ilişkin benzer ipuçları görüyor ancak sonuçlarından daha az emin. Jodrell Bank Astrofizik Merkezi'nde astrofizikçi olan ve Avrupa ekibinin bir parçası olan Michael Keith, "Amerikalılar kendilerine çok güveniyorlar" dedi. Avustralyalı ekip 32 yılda 18 atarcadan gözlemler bildirirken, Çinli ekip üç yıldan biraz daha uzun bir süredir 57 atarca gözlemledi.

süper kütleli danslar

Peki bu dalgalara ne sebep oluyor? En olası kaynaklar süper kütleli kara delikler - güneşimizin kütlesinin milyonlarca ila milyarlarca katı. Bunlar, kendi Samanyolumuz gibi büyük gökadaların merkezinde bulunur. İki galaksi çarpıştığında, bazen olduğu gibi, merkezlerindeki süper kütleli karadelikler de birbirlerinin yörüngesinde dönmeye, kozmik olarak ağır bir hızla dönmeye ve yaptıkları gibi uzay-zamanı altüst etmeye başlayabilirler.

Keith, "Simetrik olmayan dönen bir kütle dağılımınız varsa" - dönen bir kalem gibi küçük bir şey bile - "yerçekimi dalgaları çıkıyor" dedi. Yeterince büyük ölçeklerde, süper kütleli kara deliklerde, bu dalgaların alçak ve sabit gürültüsü, uzaya nüfuz ettikçe algılanabilir hale gelir.

NANOGrav henüz bireysel yerçekimi dalgası kaynaklarını seçemiyor. Bunun yerine ekip, tüm düşük frekanslı yerçekimi dalgalarının arka plan uğultusuna dair kanıt buldu. Kalabalık bir limanda aşağı yukarı zıplayan bir şamandıra gibi - tek bir teknenin dümen suyunu ayırt edemez, ancak hareketi suyu kesen bazı büyük nesneler olduğunu ortaya çıkarabilir.

Bununla birlikte, süper kütleli kara delikler, arka plan uğultusunun tek olası açıklaması değildir. Başka bir olasılık da kozmik sicimlerdir. İlk olarak 1970'lerde tahmin edilen, bunlar esasen uzay-zamandaki çatlaklar evrenin genişlemesinden kaynaklanır. Çatlaklar, döngüler halinde dönerken yerçekimi dalgaları yayarlardı.

John Ellis, "Kozmik sicimler fikri, Standart Model'in [parçacık fiziğinin] bir uzantısına sahip olmanızdır; bu modelde nokta benzeri parçacıklara ek olarak, evren boyunca uzanan enerji sicimleri elde edebilirsiniz" dedi. King's College London ve kozmik sicimlerin savunucusu CERN. "Bu enerji dizileri hareket ediyor ve çarpışabiliyor, sonunda yerçekimi dalgaları yayarak çöken sicim ilmekleri oluşturuyor."

Fikir biraz abartılı olsa da, NANOGrav ve diğer ekiplerden şu ana kadar yapılan gözlemler, kozmik sicimlerden görmeyi beklediğimiz şeylerle tutarlı. Milwaukee Wisconsin Üniversitesi'nden bir astrofizikçi olan Patrick Brady, "Sürekli kıvranıyorlar ve zaman zaman bir kırbaç gibi şaklıyorlar ve yerçekimi dalga patlamaları gönderiyorlar" dedi. Eğer pulsar zamanlama dizileri, yaklaşan verilerinden ortaya çıkan bireysel kaynakları görmezse, bu, Standart Modelin ötesindeki bu egzotik fiziğe işaret edebilir. Ellis, "Kozmik sicimler size çok daha yumuşak bir sinyal verecek," dedi.

Ancak sicimler ve diğer egzotik fenomenler göz ardı edilemezken, şimdilik süper kütleli kara delikler tercih edilen açıklama. Ransom, "Bir Occam'ın ustura bakış açısından, galaksilerin birleştiğini ve neredeyse tüm galaksilerin süper kütleli karadeliklere sahip olduğunu biliyoruz" dedi. “Gördüğümüz sinyalin büyük ihtimalle süper kütleli karadeliklerden geldiğini düşünüyoruz. Ama yanılıyor olabiliriz.”

Bir süper kütleli kara delik çifti popülasyonunu keşfetmek, astrofizikteki açık soruları yanıtlamaya yardımcı olacaktır. Örneğin, yörüngedeki iki süper kütleli karadelik nispeten birbirine yaklaştığında ne olur? Süper kütleli kara deliklerin, daha küçük kara deliklerin yaptığı gibi birleşmek yerine sonsuza dek birbirlerinin etrafında döndüğünü düşünmek için nedenler vardı. Caprini, "Buna son parsek sorunu denir" dedi; bir parsek, 3.26 ışıkyılı çapında bir uzaklık birimidir. "Çözülmemiş bir sorun." Caprini, eğer pulsar zamanlama dizileri bu anlardan yerçekimi dalgaları görüyorsa, bunun uzak yörüngelerde kalmak yerine "iki süper kütleli kara deliğin yeterince yaklaşıp birleştiğinin bir kanıtı" olacağını söyledi.

Böyle bir popülasyonun varlığı, evrendeki galaktik evrimi anlamamız için geniş çıkarımlara sahiptir. Caprini, "Bu, bazı galaksilerin merkezinde, sadece yalnız olmayan devasa kara deliklerin olduğu anlamına gelir" dedi. "Evrenin tarihi boyunca galaksilerin nasıl çarpıştığını ve çarpışma hızlarını inceleyebiliriz."

Böyle bir çalışma, bireysel süper kütleli kara delik çiftlerinin keşfedilmesini gerektirecek ve bu nedenle henüz mümkün değil. Ancak araştırmacılar, farklı ekiplerden gelen veri setlerini birleştirdikçe ve önümüzdeki birkaç yıl içinde daha fazla gözlem yaptıkça, bireysel kaynaklar ortaya çıkmaya başlayabilir ve bu, belki de astronomların uzay ve zamanda ikili süper kütleli karadelikleri tam olarak belirlemesine izin verebilir.

West Virginia Üniversitesi'nde astrofizikçi ve NANOGrav'ın kurucu üyelerinden biri olan Maura McLaughlin, "Parlak bireysel kaynaklar bu arka plan uğultusunun üzerine çıkmaya başlayacak" dedi. “Bu yönde, [belirli] bir kütleye sahip süper kütleli bir kara delik ikilisinin var olduğunu söyleyebileceğiz. Galaksi birleşmeleri hakkında çok şey öğreneceğiz.”

Açık olan şu ki, bu projeler gökbilimcilere kozmosu incelemek için tamamen yeni bir araç verdi. Brady, yerçekimi dalgası astronomisinin yükselişinin "Galileo'nun teleskopunu gökyüzüne ilk çevirdiği zamanki gibi" dedi. Artık uzay-zamandaki dalgalanmalardan oluşan bir arka planın evreni kapladığını biliyoruz. Yerçekimi dalgalarından oluşan bir okyanus sizi bekliyor.