“Kozmik Saatler” Kullanılarak Tespit Edilen Yerçekimi Dalgaları ve Görünmeyen Uzaysal Bozulmalar

Radyo teleskop gözlemleri[{” attribute=””>Milky Way pulsars reveal spacetime distortions likely caused by enormous gravitational waves rolling through everything in existence

You can’t see or feel it, but everything around you — including your own body — is slowly shrinking and expanding. It’s the weird, spacetime-warping effect of gravitational waves passing through our galaxy, according to a new study by a team of researchers with the U.S. National Science Foundation’s NANOGrav Physics Frontiers Center.

The findings, which were recently published in The Astrophysical Journal Letters, are from the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), a collaborative team of researchers from more than 50 institutions in the U.S. and abroad. The team conducted an analysis of burned-out stars known as millisecond pulsars, which rotate hundreds of times per second and emit radio pulses like ticks from highly accurate cosmic clocks. The team discovered what appeared to be variations in the “ticking rate” of such pulsars by comparing observations of more than 60 pulsars within radio telescope data spanning 15 years. Their analysis provides evidence that the variations are caused by low-frequency gravitational waves which are distorting the fabric of physical reality known as spacetime.

An artist’s rendering of gravitational waves from a pair of close-orbiting black holes (visible on the left in the distance). The waves are passing by several pulsars and the Earth (on the right). Credit: Keyi “Onyx” Li/U.S. National Science Foundation

According to the NANOGrav team’s findings, the spatial distortion from the gravitational waves creates the appearance that the pulsars’ radio-signal ticking rates are changing. But really, it’s the stretching and squeezing of space between Earth and the pulsars which causes their radio pulses to arrive at Earth billionths of seconds earlier or later than expected. The results are the first evidence of the gravitational wave background — a sort of soup of spacetime distortions pervading the entire universe and long predicted to exist by scientists.

“The NSF NANOGrav team created, in essence, a galaxy-wide detector revealing the gravitational waves that permeate our universe,” said NSF Director Sethuraman Panchanathan. “The collaboration involving research institutions across the U.S. shows that world-class scientific innovation can, should and does reach every part of our nation.”

Gravitational waves were first predicted by Albert Einstein in 1916. They would not be confirmed until 2015, when the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detected spacetime ripples passing through the Earth. Although the source of those gravitational ripples was a collision of two far-off black holes, the resulting spatial distortion that LIGO detected was smaller than the nucleus of an atom.

Karşılaştırıldığında, görünen atarca NANOGrav ekibi tarafından ölçülen zaman kayması saniyenin birkaç yüz milyarda biri kadardır ve Dünya ile pulsarlar arasındaki uzay-zamanın yaklaşık bir futbol sahası uzunluğundaki esnemesini temsil eder. Bu uzay-zaman çarpıklıklarına, iki tepe arasındaki mesafenin 2-10 ışıkyılı veya yaklaşık 9-90 trilyon kilometre olduğu çok büyük yerçekimi dalgaları neden oldu.

NANOgrav Fizik Sınırları Merkezi’nin eş direktörü West Virginia Üniversitesi astrofizikçisi Maura McLaughlin, “Bunlar, var olduğu bilinen en güçlü yerçekimi dalgaları” dedi. “Böyle devasa yerçekimi dalgalarını tespit etmek, benzer şekilde büyük bir dedektör ve sabır gerektirir.”

NANOGrav ekibi, Batı Virginia’daki Green Bank Gözlemevi, Socorro, New Mexico’daki Çok Büyük Dizi ve Porto Riko’daki Arecibo Gözlemevi dahil olmak üzere NSF destekli gözlemevlerinde radyo teleskopları tarafından kaydedilen 15 yıllık astronomik verileri kullanarak bir “dedektör” yarattı. Tüm gökyüzüne dağılmış 67 pulsar ve bu pulsar çiftlerinin tik tak hızlarını karşılaştırdı. Sofistike bir veri analizi yoluyla, uzayın bozulmasına neden olan yerçekimi dalgası arka planının varlığını çıkardılar ve böylece atarcaların görünen zamanlama değişikliklerini açıkladılar.

NANOGrav işbirliği başkanı ve araştırma çabasının eş lideri Vanderbilt Üniversitesi astrofizikçisi Stephen Taylor, “Bu, bu düşük frekanslardaki yerçekimi dalgalarının ilk kanıtı” dedi. “Bu dalgaların muhtemel kaynağı, yakın yörüngede dönen, ultra kütleli karadeliklerin uzak çiftleridir.”

NSF Matematiksel ve Fiziksel Direktör Yardımcısı, “Evrenin fiziksel doğası hakkında henüz anlamamız gereken çok şey var ve bu nedenle Ulusal Bilim Vakfı, bilgimizi toplumun yararına genişletmek için NANOGrav gibi cesur ekip çabalarını destekliyor” dedi. Bilimler Sean L. Jones.

Ekibin sonuçları, galaksilerin nasıl geliştiğine ve süper kütleli kara deliklerin nasıl büyüyüp birleştiğine dair yeni bilgiler sağlıyor. Bulgularında ortaya çıkan yaygın uzay-zaman bozulması, son derece büyük kütleli karadelik çiftlerinin evrende benzer şekilde yaygın olabileceğini ve sayıları belki yüz binlerce hatta milyonlarca olabileceğini ima ediyor. Sonunda, NANOGrav ekibi belirli süper kütleli nesneleri tanımlayabilmeyi umuyor. Kara delik yaydıkları yerçekimi dalgalarını izleyerek çiftler. Hatta çok erken evrenden yerçekimi dalgalarının izlerini bile ortaya çıkarabilirler.

NANOGrav yardımcı yönetmeni ve Oregon Eyalet Üniversitesi astrofizikçisi Xavier Siemens, “İlk verilerimiz bize bir şey duyduğumuzu söylerken, şimdi bunun yerçekimi evreninin müziği olduğunu biliyoruz” dedi. “Dinlemeye devam ettikçe, bu kozmik orkestrada bireysel enstrümanlar ön plana çıkacak.”

Bu araştırma hakkında daha fazla bilgi için:

Referans: “NANOGrav 15 Yıllık Veri Kümesi: Yerçekimi Dalgası Arka Planı İçin Kanıt” yazan Gabriella Agazie, Akash Anumarlapudi, Anne M. Archibald, Zaven Arzoumanian, Paul T. Baker, Bence Bécsy, Laura Blecha, Adam Brazier, Paul R. Brook, Sarah Burke-Spolaor, Rand Burnette, Robin Case, Maria Charisi, Shami Chatterjee, Katerina Chatziioannou, Belinda D. Cheeseboro, Siyuan Chen, Tyler Cohen, James M. Cordes, Neil J. Cornish, Fronefield Crawford, H. Minnettar Cromartie , Kathryn Crowter, Curt J. Cutler, Megan E. DeCesar, Dallas DeGan, Paul B. Demorest, Heling Deng, Timothy Dolch, Brendan Drachler, Justin A. Ellis, Elizabeth C. Ferrara, William Fiore, Emmanuel Fonseca, Gabriel E. Freedman, Nate Garver-Daniels, Peter A. Gentile, Kyle A. Gersbach, Joseph Glaser, Deborah C. Good, Kayhan Gültekin, Jeffrey S. Hazboun, Sophie Hourihane, Kristina Islo, Ross J. Jennings, Aaron D. Johnson, Megan L. Jones, Andrew R. Kaiser, David L. Kaplan, Luke Zoltan Kelley, Matthew Kerr, Joey S. Key, Tonia C. Klein, Nima Laal, Michael T. Lam, William G. Lamb, T. Joseph W. Lazio , Natalia Lewandowska, Tyson B. Littenberg, Tingting Liu, Andrea Lommen, Duncan R. Lorimer, Jing Luo, Ryan S. Lynch, Chung-Pei Ma, Dustin R. Madison, Margaret A. Mattson, Alexander McEwen, James W. McKee , Maura A. McLaughlin, Natasha McMann, Bradley W. Meyers, Patrick M. Meyers, Chiara MF Mingarelli, Andrea Mitridate, Priyamvada Natarajan, Cherry Ng, David J. Nice, Stella Koch Ocker, Ken D. Olum, Timothy T. Pennucci , 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. Siwek, Ingrid H. Stairs, Daniel R. Stinebring, Kevin Stovall, Jerry P. Sun, Abhimanyu Susobhanan, Joseph K. Swiggum, Jacob Taylor, Stephen R. Taylor, Jacob E. Turner, Caner Ünal, Michele Vallisneri, Rutger van Haasteren, Sarah J. Vigeland, Haley M. Wahl, Qiaohong Wang, Caitlin A. Witt, Olivia Young and The NANOGrav Collaboration, 29 Haziran 2023, Astrofizik Dergi Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/acdac6