Kara delikler bu simülasyonda yıldızlı bir arka planı bozar, ışığı yakalar ve kara delik siluetleri üretir. Her birinin kütlesi Güneş’inkinin yaklaşık 500.000 katı ve kara deliğin ana hatlarını çizen foton halkası adı verilen ayırt edici bir özelliği var. Kredi: NASA’nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi; arka plan, ESA/Gaia/DPAC
Evrenimiz, uzay-zamandaki kaotik bir dalgalanma denizidir.[{” attribute=””>gravitational waves. Astronomers think waves from orbiting pairs of supermassive black holes in distant galaxies are light-years long and have been trying to observe them for decades, and now they’re one step closer thanks to NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope.
Fermi detects gamma rays, the highest-energy form of light. An international team of scientists examined over a decade of Fermi data collected from pulsars, rapidly rotating cores of stars that exploded as supernovae. They looked for slight variations in the arrival time of gamma rays from these pulsars, changes which could have been caused by the light passing through gravitational waves on the way to Earth. But they didn’t find any.
While no waves were detected, the analysis shows that, with more observations, these waves may be within Fermi’s reach.
“We kind of surprised ourselves when we discovered Fermi could help us hunt for long gravitational waves,” said Matthew Kerr, a research physicist at the U.S. Naval Research Laboratory in Washington. “It’s new to the fray – radio studies have been doing similar searches for years. But Fermi and gamma rays have some special characteristics that together make them a very powerful tool in this investigation.”
The length of a gravitational wave, or ripple in space-time, depends on its source, as shown in this infographic. Scientists need different kinds of detectors to study as much of the spectrum as possible. Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
The results of the study, co-led by Kerr and Aditya Parthasarathy, a researcher at the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, were published online by the journal Science on April 7.
When massive objects accelerate, they produce gravitational waves traveling at light speed. The ground-based Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory – which first detected gravitational waves in 2015 – can sense ripples tens to hundreds of miles long from crest to crest, which roll past Earth in just fractions of a second. The upcoming space-based Laser Interferometer Space Antenna will pick up waves millions to billions of miles long.
This visualization shows gravitational waves emitted by two black holes of nearly equal mass as they spiral around each other. Orange ripples represent distortions of space-time caused by the rapidly orbiting masses. These distortions spread out and weaken, ultimately becoming gravitational waves (purple). This simulation was performed on the Pleiades supercomputer at NASA’s Ames Research Center. Credit: NASA/Bernard J. Kelly (Goddard and Univ. of Maryland Baltimore County), Chris Henze (Ames) and Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC)
Kerr and his team are searching for waves that are light-years, or trillions of miles, long and take years to pass Earth. These long ripples are part of the gravitational wave background, a random sea of waves generated in part by pairs of supermassive black holes in the centers of merged galaxies across the universe.
To find them, scientists need galaxy-sized detectors called pulsar timing arrays. These arrays use specific sets of millisecond pulsars, which rotate as fast as blender blades. Millisecond pulsars sweep beams of radiation, from radio to gamma rays, past our line of sight, appearing to pulse with incredible regularity – like cosmic clocks.
As long gravitational waves pass between one of these pulsars and Earth, they delay or advance the light arrival time by billionths of a second. By looking for a specific pattern of pulse variations among pulsars of an array, scientists expect they can reveal gravitational waves rolling past them.
Bu görselleştirme, neredeyse eşit kütleye sahip iki kara deliğin (kara küreler) birlikte sarmal olarak ve birleşirken yaydığı yerçekimi dalgalarını göstermektedir. Kara deliklerin yakınındaki sarı yapılar, bölgedeki uzay-zamanın güçlü eğriliğini göstermektedir. Turuncu dalgalanmalar, hızla yörüngede dönen kütlelerin neden olduğu uzay-zaman çarpıklıklarını temsil eder. Bu çarpıtmalar yayılır ve zayıflar, sonunda yerçekimi dalgaları (mor) haline gelir. Birleşme zaman ölçeği kara deliklerin kütlelerine bağlıdır. Güneş kütlesinin yaklaşık 30 katı olan kara delikler içeren bir sistem için, LİGO 2015’te, filmin başlangıcındaki yörünge periyodu sadece 65 milisaniyedir ve kara delikler ışık hızının yaklaşık yüzde 15’i kadar hızla hareket eder. Uzay-zaman bozulmaları yörünge enerjisini yayar ve ikili sistemin hızla büzülmesine neden olur. Birbirine yakın iki karadelik olarak, tek bir karadelik halinde birleşirler. Kara delik son yerçekimi dalgalarının yayıldığı “çalışma” aşamasına yerleşir. 2015 LIGO tespiti için, bu olaylar saniyenin dörtte birinden biraz fazla bir sürede gerçekleşti. Bu simülasyon, NASA’nın Ames Araştırma Merkezi’ndeki Pleiades süper bilgisayarında gerçekleştirildi. Kredi: NASA/Bernard J. Kelly (Goddard and Univ. of Maryland Baltimore County), Chris Henze (Ames) ve Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC)
Radyo astronomları on yıllardır pulsar zamanlama dizileri kullanıyor ve gözlemleri bu yerçekimi dalgalarına karşı en hassas olanı. Ancak yıldızlararası etkiler, radyo verilerinin analizini zorlaştırıyor. Uzay başıboş elektronlarla beneklidir. Işık yılı boyunca, etkileri radyo dalgalarının yörüngesini bükmek için birleşir. Bu, darbelerin farklı frekanslardaki varış sürelerini değiştirir. Gama ışınları bu komplikasyonlardan etkilenmez ve hem tamamlayıcı bir prob hem de radyo sonuçlarının bağımsız bir doğrulamasını sağlar.
Parthasarathy, “Fermi sonuçları, yerçekimi dalgası arka planını potansiyel olarak tespit etme söz konusu olduğunda, radyo pulsar zamanlama dizileri kadar zaten %30 daha iyi” dedi. “Bir beş yıl daha pulsar veri toplama ve analizi ile, tüm bu başıboş elektronlar için endişelenmenize gerek kalmaması gibi ek bir avantajla eşit derecede yetenekli olacak.”
Önümüzdeki on yıl içinde, hem radyo hem de gama ışını gökbilimcileri, yörüngedeki canavar karadelik çiftlerinden yerçekimi dalgalarını almalarını sağlayacak hassasiyetlere ulaşmayı umuyor.
NASA’nın Greenbelt, Maryland’deki Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nde Fermi proje bilimcisi yardımcısı Judith Racusin, “Fermi’nin gama ışınlarının gelişini tam olarak zamanlama konusundaki benzeri görülmemiş yeteneği ve geniş görüş alanı bu ölçümü mümkün kılıyor” dedi. “Görev başladığından beri, gama ışını gökyüzü hakkında yeni bilgilerle bizi sürekli şaşırttı. Hepimiz bir sonraki şaşırtıcı keşfi sabırsızlıkla bekliyoruz.”
Referans: “Bir gama ışını pulsar zamanlama dizisi nanohertz yerçekimi dalgası arka planını kısıtlıyor”, The Fermi-LAT Collaboration, 7 Nisan 2022, Bilim.
DOI: 10.1126/science.abm3231
Fermi Gama Işını Uzay Teleskobu, Goddard tarafından yönetilen bir astrofizik ve parçacık fiziği ortaklığıdır. Fermi, Fransa, Almanya, İtalya, Japonya, İsveç ve Amerika Birleşik Devletleri’ndeki akademik kurumların ve ortakların önemli katkılarıyla ABD Enerji Bakanlığı ile işbirliği içinde geliştirildi.