Çarşamba akşamı, uluslararası bir araştırma işbirliği konsorsiyumu, evren boyunca yankılanan derin bir yerçekimi dalgalarının varlığına dair ikna edici kanıtlar sundu.
Bilim adamları, bu yerçekimi dalgalarının, 10 milyar ışıkyılı kadar uzaktaki antik galaksilerin kalbinde yer alan, bazıları bir milyar güneş büyüklüğünde olan binlerce süper kütleli kara delik çiftlerinin toplu yankıları olduğundan şiddetle şüpheleniyorlar. yavaş yavaş büyür, birleşir ve uzay-zamanda dalgalanmalar yaratır.
Kuzey Amerika Nanohertz Yerçekimi Dalgaları Gözlemevi (NANOGrav) ile işbirliğinin bir parçası olan Oregon Eyalet Üniversitesi’nden fizikçi Xavier Siemens, “Bunu bir koro veya orkestra gibi düşünmeyi seviyorum” dedi. Her bir süper kütleli karadelik çifti farklı bir ses çıkarıyor, dedi Dr. Siemens, “ve aldığımız şey, bir anda tüm bu sinyallerin toplamıdır.”
NANOGrav, veri toplama başladıktan 15 yıldan fazla bir süre sonra geldiğinden, sonuçlar merakla bekleniyordu. Bilim adamları, şimdiye kadar elde edilen sonuçların, madde ve enerjinin yerçekimi dediğimiz şeyi yaratmak için uzay-zamanı nasıl büktüğünü açıklayan Albert Einstein’ın genel görelilik teorisiyle tutarlı olduğunu söyledi. Daha fazla veri toplandıkça, bu kozmik uğultu, araştırmacıların Evrenin mevcut yapısına nasıl ulaştığını anlamalarına ve 13,7 milyar yıl önce Büyük Patlama’dan hemen sonra var olmuş olabilecek egzotik madde türlerini potansiyel olarak ortaya çıkarmalarına yardımcı olabilir.
Yale Üniversitesi’nden bir astrofizikçi ve NANOGrav’ın bir üyesi olan Chiara Mingarelli, “Yerçekimi dalgası arka planı, her zaman bulabileceğiniz en gürültülü ve en bariz şey olmuştur” dedi. “Bu, evreni gözlemlemenin yepyeni bir yolunun gerçekten sadece başlangıcı.”
Dr. Mingarelli. Ancak diğer dalga türlerinin aksine, bu dalgalar uzay-zamanın dokusunu gerer ve sıkıştırarak geçtikleri gök cisimleri arasındaki mesafeleri bozar.
“Kulağa bilimkurguya çok benziyor,” dedi Dr. Mingarelli. “Ama bu gerçek.”
Yerçekimi dalgaları ilk olarak 2016 yılında Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) işbirliğiyle duyulabilir bir cıvıltı olarak tespit edildi; Buluş, Einstein’ın genel görelilik kuramını evrenin doğru bir modeli olarak sağlamlaştırdı ve projenin kurucularına 2017 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı. Bununla birlikte, LIGO’nun sinyalleri çoğunlukla birkaç yüz Hertz frekans aralığındaydı ve tek kara delik çiftleri veya Güneşimizden 10 ila 100 kat daha büyük kütleli nötron yıldızları tarafından üretildi.
Buna karşılık, bu çalışmaya katılan araştırmacılar, aynı anda her yerden yayılan çok daha düşük frekanslarda – işitilebilir aralığın çok altında, bir hertz’in milyarda biri – kolektif bir uğultu aradılar.
Dr. Mingarelli.
Sinyal, pulsar adı verilen hızla dönen yıldızların davranışlarını inceleyerek keşfedildi. Yerçekimi dalgalarının etkilerini dolaylı olarak ölçmek için iki bilim adamına 1993 Nobel Fizik Ödülü kazandıran bir yöntem kullandı.
NANOGrav ekibi eş zamanlı olarak The Astrophysical Journal Letters’da dört çalışma ve arXiv.org ön baskı sunucusunda verilerin toplanması ve analizini ve sonuçların farklı yorumlarını detaylandıran iki makale daha yayınladı.
Sinyal gerçekten de yörüngedeki süper kütleli karadelik çiftlerinden geliyorsa, yerçekimi dalgası arka planını incelemek, bu sistemlerin ve onları çevreleyen galaksilerin evrimsel tarihine ışık tutacaktır. Yerçekimi dalgası arka planı, uzay-zamandaki kozmik sicimler olarak bilinen varsayımsal yarıklar gibi başka bir şeyden de gelebilir.
Ya da başlangıcından 400.000 yıl sonrasına kadar evrenin yapısı hakkında temel keşiflere yol açan kozmik mikrodalga arka planına benzeyen Büyük Patlama’nın bir kalıntısı olabilir. Yerçekimi dalgası arka planı, daha da iyi bir ilksel sonda olurdu, dedi Dr. Mingarelli neredeyse anında gönderilecekti.
Yerçekimi dalgası arka planını tespit etmek için araştırmacılar, pulsarların deniz feneri benzeri doğasını analiz ettiler. Kozmik saatler gibi hareket eden bu nesneler, Dünya üzerinde periyodik olarak ölçülebilen radyo dalgaları demetleri yayarlar. Einstein’ın genel görelilik teorisi, yerçekimi dalgalarının pulsarları geçerken, bu nesneler ile Dünya arasındaki mesafeyi artırdığını veya azalttığını ve radyo sinyallerinin gözlemcilere ulaşması için geçen süreyi değiştirdiğini öngörür. Ve eğer yerçekimi dalgası arka planı gerçekten her yerde mevcutsa, evrendeki pulsarlar birbiriyle ilişkili bir şekilde etkilenmelidir.
NANOGrav ekibi, özel bir alet inşa etmek yerine, dünyanın her yerindeki mevcut radyo teleskoplarından yararlandı: New Mexico’daki Çok Büyük Dizi, Batı Virginia’daki Green Bank Teleskobu ve Porto Riko’daki Arecibo Gözlemevi (önceki önemli çöküşünden önce). üç yıl). .
NANOGrav ekibi, 12 yıldan fazla veri toplamanın ardından 2020’de 45 atarcanın zamanlamasını izleme sonuçlarını yayınladı. O zaman bile, dedi Dr. Siemens’te, araştırmacılar yerçekimi dalgası arka planına dair cezbedici ipuçları gördüler, ancak gerçekten ilişkili olduklarını doğrulamak ve bir keşif yapmak için daha uzun süreler boyunca daha fazla pulsarı izlemeleri gerekiyordu. Böylece NANOGrav ekibi, Hindistan, Avrupa, Çin ve Avustralya merkezli işbirliklerini içeren bir şemsiye kuruluş olan Uluslararası Pulsar Zamanlama Dizisi aracılığıyla meslektaşlarına ulaştı ve yerçekimi dalgalarının arka planını toplu olarak ortaya çıkarmak için çabaları koordine etti.
Çarşamba gününe ileri saralım: Her bir işbirliği, bağımsız olarak toplanan ve tümü bir yerçekimi dalgası arka planının varlığını destekleyen verilerin sonuçlarını yayınlıyor. NANOGrav ekibi, her biri en az üç yıl boyunca izlenen 67 pulsardan 15 yıllık ölçümlerle en geniş veri setine sahiptir.
Sonuçlar, fizikçilerin ikna edici bir keşif için genellikle bekledikleri 5 sigma standardının hemen altında, 3,5 ila 4 sigma arasında değişen bir güven düzeyine sahiptir. Dr. Mingarelli. “Bu benim için yeterince iyi, ama diğer insanlar milyon yılda bir istiyor” dedi. “Sonunda oraya varacağız.”
Çalışmaya dahil olmayan Michigan Üniversitesi’nden astrofizikçi Marcelle Soares-Santos, bunun ön kanıt olmasına rağmen sonuçların cazip olduğunu kabul etti. “Bu, topluluğun bir süredir beklediği bir şey” dedi ve diğer pulsar zamanlama işbirliklerinden bağımsız ölçümlerin sonuçları desteklediğini de sözlerine ekledi.
Yine de, dedi Dr. Soares-Santos, yerçekimi dalgası arka planının gelecekteki araştırmalar üzerinde ne gibi bir etkisi olabileceğini söylemek için henüz çok erken olduğunu söyledi. Birçok NANOGrav işbirlikçisinin inandığı gibi, sinyal gerçekten de süper kütleli kara deliklerin yavaş, içe doğru sarmalından geldiyse, bilim adamlarının erken galaksilerin nasıl daha da büyük yıldızlar ve toz sistemleri oluşturmak için birleştiğine dair bilgilerini ilerletebilirdi. Günümüzde Gözlenen Karmaşık Yapılar.
Ancak dalgalar Büyük Patlama’dan kaynaklandıysa, bunun yerine kozmosun genişlemesi veya karanlık maddenin doğası hakkında içgörüler sunabilir – bilim adamlarının evreni bir arada tuttuğuna inandıkları görünmez yapıştırıcı – ve hatta belki de bir zamanlar var olan yeni parçacıkları veya güçleri ortaya çıkarabilir. (Uzmanlar, yerçekimi dalgası arka planının birden fazla kaynaktan gelebileceğini belirtiyor. Bu durumda zorluk, ne kadarının nereden geldiğini bulmak olacaktır.)
NANOGrav ekibi, yaklaşık 25 yıla yayılan 115 pulsardan alınan ölçümlere eşit olan, dünya çapında yerçekimi dalgası işbirliklerinden elde edilen tüm verileri analiz etmeye çalışıyor. Bu sonuçların yaklaşık bir yıl içinde açıklanacağını söyleyen Dr. Siemens, 5 Sigma tespit seviyesini aşmalarını beklediğini de sözlerine ekledi.
Bununla birlikte, yerçekimi dalgası arka planının kaynağının doğrulanması birkaç yıl daha alabilir. Araştırmacılar, tek bir süper kütleli ikili kara delik sistemini gösteren yoğun, yakın yerçekimi dalga sinyallerinin bölgelerini arayarak Evrenin haritalarını derlemek için verilerini kullanmaya çoktan başladılar. Eğlence burada başlıyor dedi Dr. Mingarelli, bu haritaları analiz etmeyi ve galaktik jetler, kozmik sicimler veya solucan delikleri gibi daha da egzotik fenomenler aramayı dört gözle bekliyor.
“Bu gerçekten çığır açan bir şeye yol açabilir,” dedi Dr. Soares-Santos ve bunu 1960’larda kozmik mikrodalga arka planın keşfiyle karşılaştırdı ve o zamandan beri fizikçilerin erken Evren hakkındaki bilgilerini değiştirdi. “Nasıl bir etkiye sahip olacağını henüz bilmiyoruz, ancak yerçekimi dalgaları kitabında kesinlikle yeni bir bölüm olacak. Görünüşe göre bu kitabın yazılmasını izleyeceğiz.”
Dennis Overbye raporlamaya katkıda bulundu.
Bilim adamları, bu yerçekimi dalgalarının, 10 milyar ışıkyılı kadar uzaktaki antik galaksilerin kalbinde yer alan, bazıları bir milyar güneş büyüklüğünde olan binlerce süper kütleli kara delik çiftlerinin toplu yankıları olduğundan şiddetle şüpheleniyorlar. yavaş yavaş büyür, birleşir ve uzay-zamanda dalgalanmalar yaratır.
Kuzey Amerika Nanohertz Yerçekimi Dalgaları Gözlemevi (NANOGrav) ile işbirliğinin bir parçası olan Oregon Eyalet Üniversitesi’nden fizikçi Xavier Siemens, “Bunu bir koro veya orkestra gibi düşünmeyi seviyorum” dedi. Her bir süper kütleli karadelik çifti farklı bir ses çıkarıyor, dedi Dr. Siemens, “ve aldığımız şey, bir anda tüm bu sinyallerin toplamıdır.”
NANOGrav, veri toplama başladıktan 15 yıldan fazla bir süre sonra geldiğinden, sonuçlar merakla bekleniyordu. Bilim adamları, şimdiye kadar elde edilen sonuçların, madde ve enerjinin yerçekimi dediğimiz şeyi yaratmak için uzay-zamanı nasıl büktüğünü açıklayan Albert Einstein’ın genel görelilik teorisiyle tutarlı olduğunu söyledi. Daha fazla veri toplandıkça, bu kozmik uğultu, araştırmacıların Evrenin mevcut yapısına nasıl ulaştığını anlamalarına ve 13,7 milyar yıl önce Büyük Patlama’dan hemen sonra var olmuş olabilecek egzotik madde türlerini potansiyel olarak ortaya çıkarmalarına yardımcı olabilir.
Yale Üniversitesi’nden bir astrofizikçi ve NANOGrav’ın bir üyesi olan Chiara Mingarelli, “Yerçekimi dalgası arka planı, her zaman bulabileceğiniz en gürültülü ve en bariz şey olmuştur” dedi. “Bu, evreni gözlemlemenin yepyeni bir yolunun gerçekten sadece başlangıcı.”
Dr. Mingarelli. Ancak diğer dalga türlerinin aksine, bu dalgalar uzay-zamanın dokusunu gerer ve sıkıştırarak geçtikleri gök cisimleri arasındaki mesafeleri bozar.
“Kulağa bilimkurguya çok benziyor,” dedi Dr. Mingarelli. “Ama bu gerçek.”
Yerçekimi dalgaları ilk olarak 2016 yılında Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) işbirliğiyle duyulabilir bir cıvıltı olarak tespit edildi; Buluş, Einstein’ın genel görelilik kuramını evrenin doğru bir modeli olarak sağlamlaştırdı ve projenin kurucularına 2017 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı. Bununla birlikte, LIGO’nun sinyalleri çoğunlukla birkaç yüz Hertz frekans aralığındaydı ve tek kara delik çiftleri veya Güneşimizden 10 ila 100 kat daha büyük kütleli nötron yıldızları tarafından üretildi.
Buna karşılık, bu çalışmaya katılan araştırmacılar, aynı anda her yerden yayılan çok daha düşük frekanslarda – işitilebilir aralığın çok altında, bir hertz’in milyarda biri – kolektif bir uğultu aradılar.
Dr. Mingarelli.
Sinyal, pulsar adı verilen hızla dönen yıldızların davranışlarını inceleyerek keşfedildi. Yerçekimi dalgalarının etkilerini dolaylı olarak ölçmek için iki bilim adamına 1993 Nobel Fizik Ödülü kazandıran bir yöntem kullandı.
NANOGrav ekibi eş zamanlı olarak The Astrophysical Journal Letters’da dört çalışma ve arXiv.org ön baskı sunucusunda verilerin toplanması ve analizini ve sonuçların farklı yorumlarını detaylandıran iki makale daha yayınladı.
Sinyal gerçekten de yörüngedeki süper kütleli karadelik çiftlerinden geliyorsa, yerçekimi dalgası arka planını incelemek, bu sistemlerin ve onları çevreleyen galaksilerin evrimsel tarihine ışık tutacaktır. Yerçekimi dalgası arka planı, uzay-zamandaki kozmik sicimler olarak bilinen varsayımsal yarıklar gibi başka bir şeyden de gelebilir.
Ya da başlangıcından 400.000 yıl sonrasına kadar evrenin yapısı hakkında temel keşiflere yol açan kozmik mikrodalga arka planına benzeyen Büyük Patlama’nın bir kalıntısı olabilir. Yerçekimi dalgası arka planı, daha da iyi bir ilksel sonda olurdu, dedi Dr. Mingarelli neredeyse anında gönderilecekti.
Yerçekimi dalgası arka planını tespit etmek için araştırmacılar, pulsarların deniz feneri benzeri doğasını analiz ettiler. Kozmik saatler gibi hareket eden bu nesneler, Dünya üzerinde periyodik olarak ölçülebilen radyo dalgaları demetleri yayarlar. Einstein’ın genel görelilik teorisi, yerçekimi dalgalarının pulsarları geçerken, bu nesneler ile Dünya arasındaki mesafeyi artırdığını veya azalttığını ve radyo sinyallerinin gözlemcilere ulaşması için geçen süreyi değiştirdiğini öngörür. Ve eğer yerçekimi dalgası arka planı gerçekten her yerde mevcutsa, evrendeki pulsarlar birbiriyle ilişkili bir şekilde etkilenmelidir.
NANOGrav ekibi, özel bir alet inşa etmek yerine, dünyanın her yerindeki mevcut radyo teleskoplarından yararlandı: New Mexico’daki Çok Büyük Dizi, Batı Virginia’daki Green Bank Teleskobu ve Porto Riko’daki Arecibo Gözlemevi (önceki önemli çöküşünden önce). üç yıl). .
NANOGrav ekibi, 12 yıldan fazla veri toplamanın ardından 2020’de 45 atarcanın zamanlamasını izleme sonuçlarını yayınladı. O zaman bile, dedi Dr. Siemens’te, araştırmacılar yerçekimi dalgası arka planına dair cezbedici ipuçları gördüler, ancak gerçekten ilişkili olduklarını doğrulamak ve bir keşif yapmak için daha uzun süreler boyunca daha fazla pulsarı izlemeleri gerekiyordu. Böylece NANOGrav ekibi, Hindistan, Avrupa, Çin ve Avustralya merkezli işbirliklerini içeren bir şemsiye kuruluş olan Uluslararası Pulsar Zamanlama Dizisi aracılığıyla meslektaşlarına ulaştı ve yerçekimi dalgalarının arka planını toplu olarak ortaya çıkarmak için çabaları koordine etti.
Çarşamba gününe ileri saralım: Her bir işbirliği, bağımsız olarak toplanan ve tümü bir yerçekimi dalgası arka planının varlığını destekleyen verilerin sonuçlarını yayınlıyor. NANOGrav ekibi, her biri en az üç yıl boyunca izlenen 67 pulsardan 15 yıllık ölçümlerle en geniş veri setine sahiptir.
Sonuçlar, fizikçilerin ikna edici bir keşif için genellikle bekledikleri 5 sigma standardının hemen altında, 3,5 ila 4 sigma arasında değişen bir güven düzeyine sahiptir. Dr. Mingarelli. “Bu benim için yeterince iyi, ama diğer insanlar milyon yılda bir istiyor” dedi. “Sonunda oraya varacağız.”
Çalışmaya dahil olmayan Michigan Üniversitesi’nden astrofizikçi Marcelle Soares-Santos, bunun ön kanıt olmasına rağmen sonuçların cazip olduğunu kabul etti. “Bu, topluluğun bir süredir beklediği bir şey” dedi ve diğer pulsar zamanlama işbirliklerinden bağımsız ölçümlerin sonuçları desteklediğini de sözlerine ekledi.
Yine de, dedi Dr. Soares-Santos, yerçekimi dalgası arka planının gelecekteki araştırmalar üzerinde ne gibi bir etkisi olabileceğini söylemek için henüz çok erken olduğunu söyledi. Birçok NANOGrav işbirlikçisinin inandığı gibi, sinyal gerçekten de süper kütleli kara deliklerin yavaş, içe doğru sarmalından geldiyse, bilim adamlarının erken galaksilerin nasıl daha da büyük yıldızlar ve toz sistemleri oluşturmak için birleştiğine dair bilgilerini ilerletebilirdi. Günümüzde Gözlenen Karmaşık Yapılar.
Ancak dalgalar Büyük Patlama’dan kaynaklandıysa, bunun yerine kozmosun genişlemesi veya karanlık maddenin doğası hakkında içgörüler sunabilir – bilim adamlarının evreni bir arada tuttuğuna inandıkları görünmez yapıştırıcı – ve hatta belki de bir zamanlar var olan yeni parçacıkları veya güçleri ortaya çıkarabilir. (Uzmanlar, yerçekimi dalgası arka planının birden fazla kaynaktan gelebileceğini belirtiyor. Bu durumda zorluk, ne kadarının nereden geldiğini bulmak olacaktır.)
NANOGrav ekibi, yaklaşık 25 yıla yayılan 115 pulsardan alınan ölçümlere eşit olan, dünya çapında yerçekimi dalgası işbirliklerinden elde edilen tüm verileri analiz etmeye çalışıyor. Bu sonuçların yaklaşık bir yıl içinde açıklanacağını söyleyen Dr. Siemens, 5 Sigma tespit seviyesini aşmalarını beklediğini de sözlerine ekledi.
Bununla birlikte, yerçekimi dalgası arka planının kaynağının doğrulanması birkaç yıl daha alabilir. Araştırmacılar, tek bir süper kütleli ikili kara delik sistemini gösteren yoğun, yakın yerçekimi dalga sinyallerinin bölgelerini arayarak Evrenin haritalarını derlemek için verilerini kullanmaya çoktan başladılar. Eğlence burada başlıyor dedi Dr. Mingarelli, bu haritaları analiz etmeyi ve galaktik jetler, kozmik sicimler veya solucan delikleri gibi daha da egzotik fenomenler aramayı dört gözle bekliyor.
“Bu gerçekten çığır açan bir şeye yol açabilir,” dedi Dr. Soares-Santos ve bunu 1960’larda kozmik mikrodalga arka planın keşfiyle karşılaştırdı ve o zamandan beri fizikçilerin erken Evren hakkındaki bilgilerini değiştirdi. “Nasıl bir etkiye sahip olacağını henüz bilmiyoruz, ancak yerçekimi dalgaları kitabında kesinlikle yeni bir bölüm olacak. Görünüşe göre bu kitabın yazılmasını izleyeceğiz.”
Dennis Overbye raporlamaya katkıda bulundu.