Het weefsel van het universum resoneert met zwaartekrachtgolven uit het vroegste tijdperk, en onderzoekers hebben deze kosmische symfonie eindelijk ‘gehoord’.
Donderdag 28 juni kondigde het Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav) in Noord-Amerika de detectie aan van laagfrequente zwaartekrachtgolven, een mijlpaal die 15 jaar onderzoek markeert. Dit is echter niet de eerste keer dat de mensheid zwaartekrachtgolven heeft gedetecteerd. Wetenschappers hebben deze rimpelingen in het weefsel van de ruimte gedetecteerd met behulp van faciliteiten zoals het Laser Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Sinds 2015.
Dus, met dat in gedachten, waarom is dit niet gewoon weer een – onbetwistbaar indrukwekkende – ontdekking over zwaartekracht golven? Het antwoord draait om drie gerelateerde eigenschappen: frequentie, golflengte en periode van zwaartekrachtgolven, en wat ze wetenschappers vertellen over de objecten en gebeurtenissen waardoor ze aanvankelijk door de ruimte kabbelden.
Verwant: Het mysterie van hoe Mars-meteorieten de aarde bereikten, kan eindelijk worden opgelost
Wat zijn zwaartekrachtgolven?
De zwaartekrachttheorie, de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein in 1915, voorspelt dat objecten met massa een kromtrekkend effect hebben op het weefsel van ruimte en tijd – gestandaardiseerd als “ruimte-tijd” – en dat zwaartekracht voortkomt uit deze kromming. De algemene relativiteitstheorie geeft ook aan dat wanneer objecten versnellen, ze rimpelingen in de ruimte-tijd zouden moeten genereren, een soort zwaartekrachtstraling die we zwaartekrachtgolven noemen. Het effect wordt aanzienlijk wanneer de versnelling betrekking heeft op massieve objecten zoals superzware zwarte gaten en neutronensterren.
Zwaartekrachtsgolven komen, net als elektromagnetische straling, in de vorm van Frequentiebereik Met hoogfrequente zwaartekrachtgolven, zoals hoogfrequent licht, hebben kortere golflengten en zijn energieker, terwijl laagfrequente zwaartekrachtgolven langere golflengten en minder energie hebben. Zwaartekrachtsgolven met lange golflengte en lage frequentie hebben ook lange perioden, de tijd die verstrijkt tussen de piek van een golf die een bepaald punt passeert en de volgende piek die dat punt passeert.
Niet alle zwaartekrachtgolven zijn gelijk
De ontdekking, aangekondigd op 28 juni, markeert de eerste detectie van laagfrequente zwaartekrachtgolven. Aangenomen wordt dat de bron van deze laagfrequente zwaartekrachtgolven superzware dubbelsterren van zwarte gaten in het zeer vroege heelal zijn. Zie dit in termen van het orkest. LIGO kan dramatische enkele symbolen ‘crashen’ horen van gewelddadige gebeurtenissen zoals botsingen en fusies. Wat ik hoorde van het laagfrequente zwaartekrachtgolfsignaal van NANOGrav was als de zachte achtergrondharmonieën van een viool.
De sterkte van dit signaal wijst op de aanwezigheid van een gravitatiegolforkest van honderdduizenden of zelfs miljoenen superzware dubbelsterren van zwarte gaten in het vroege heelal.
“Deze ontdekking opent een nieuw, laagfrequent venster in de wereld van de zwaartekracht, waardoor we kunnen bestuderen hoe sterrenstelsels en hun centrale zwarte gaten in de loop van de tijd samensmelten en groeien”, aldus NRAO-astronoom Scott Ransom, een van de ongeveer 190 wetenschappers die werken met NANOGrav., vertelde Space.com.
Wanneer zwarte gaten en neutronensterren om elkaar heen draaien, genereren ze een Een constante continue stroom van laagfrequente zwaartekrachtgolvenEn Het zorgt er effectief voor dat ruimte-tijd rinkelt als een zacht aangeslagen bel. Zoals het wordt uitgezonden, de Zwaartekrachtsgolven hebben impulsmoment (rotatie), en dit zorgt ervoor dat zwarte gaten samenklonteren.
Hoe dichter de objecten in een baan zijn, hoe sneller ze zwaartekrachtgolven uitzenden en hoe hoger de frequentie van deze zwaartekrachtstraling; Bovendien, hoe dichterbij ze komen, hoe sneller ze het impulsmoment verliezen en hoe sneller ze in een spiraal naar elkaar toe bewegen totdat ze botsen en samensmelten. Deze gewelddadige botsing veroorzaakt een uitbarsting van hoogfrequente zwaartekrachtgolven die door de ruimte sijpelen.
Daarnaast zijn er ook meer exotische mogelijke verklaringen voor deze vage rimpelingen in de ruimte-tijd. Een deel van dit signaal kan een zwaartekrachtgolfachtergrond zijn die aan deze paren vroege zwarte gaten voorafging en afkomstig was van de oerknal en het ontstaan van het heelal zelf.
Waarom NANOGrav kan wat LIGO en LISA niet kunnen (en vice versa)
Net zoals er verschillende telescopen nodig zijn om verschillende lichtfrequenties in het elektromagnetische spectrum te zien, zijn er verschillende zwaartekrachtgolfdetectoren nodig om de verschillende frequenties van dit op zwaartekracht gebaseerde stralingsspectrum te “horen”.
Faciliteiten zoals LIGO hebben met succes hoogfrequente zwaartekrachtgolven gedetecteerd van botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren en zelfs hybride fusies tussen de twee, maar lagerfrequente zwaartekrachtgolven waren ongrijpbaar.
Dit komt omdat het effect van zwaartekrachtgolven erg klein is NANOGrav schatting Het effect op ruimte-tijd is zo klein als ongeveer 1 deel op 1.000.000.000.000.000!
Maar zelfs als ze gevoelig zijn, zijn Ligo en zijn collega’s op aarde gebaseerde zwaartekrachtgolfobservatoria Het kan geen laagfrequente zwaartekrachtgolven opvangen. Zelfs een zwaartekrachtgolfdetector die uit de ruimte komt, de Laser Interferometer Space Antenna (LISA) zal de signalen niet kunnen oppikken.
Zwaartekrachtsgolven die LIGO en andere op de grond gebaseerde detectoren kunnen horen, zijn zwaartekrachtgolven in golflengten om hen heen duizenden mijlen ver weg, Ongeveer zo groot als de aarde, met perioden variërend van milliseconden tot seconden. Lisa bestrijkt golflengten van miljoenen tot miljarden kilometers; Denk aan de afstand van de aarde tot de zon of de afstand tussen de aarde of Pluto. Deze zwaartekrachtgolven duren seconden tot uren.
De zwaartekrachtgolven die de NANOGrav moet horen, hebben nanoHertz-frequenties en golflengten van Triljoenen mijlen schaalDat maakt het lichtjaren lang. En Volgens NANOGravDeze zwaartekrachtgolven van nanohertz kunnen maanden, jaren of zelfs decennia overspannen.
Verwant: Hoe gebruikt de astronomie het elektromagnetische spectrum?
Om deze ontdekking te kunnen doen, hadden astronomen een zwaartekrachtgolfantenne nodig ter grootte van het hele sterrenstelsel en een zeer nauwkeurige methode om de tijd te meten, bestaande uit een netwerk van “kosmische klokken”. Dit is waar NANOGrav om de hoek komt kijken.
Hoe vangt de NanoGrav laagfrequente golven op?
via drie radioobservatoria, Nu vernietigd Arecibo Observatory in Puerto Rico, Green Bank Telescope in West Virginia en Very Large Array in New Mexico NanoGrav wordt 68 pulsars In de Melkweg bevindt zich een enorme zwaartekrachtgolfantenne ter grootte van het hele sterrenstelsel. De unieke en gevoelige zwaartekrachtgolfdetector wordt de pulsar-timingarray genoemd.
Zoals alles Neutronensterren, pulsars vormen zich Wanneer massieve sterren hun brandstof voor kernfusie uitputten, stopt de uitgaande “duw” van energie die tijdens het proces wordt geproduceerd. Dit heeft tot gevolg dat de kernen van deze sterren onder hun eigen zwaartekracht instorten en de buitenste lagen wegschieten in een supernova-explosie.
De breedte van de stellaire kern krimpt tot het punt dat neutronensterren een massa rond de zon hebben en tot tweemaal de massa van onze eigen ster in een object dat niet breder is dan de gemiddelde stad hier op aarde. Omdat impulsmoment behouden blijft, zorgt de verkleinde diameter er ook voor dat de overblijfselen van sterren “draaien”, waarbij sommige neutronensterren wel 700 keer per seconde ronddraaien! Zie dit als een schaatser die tussen zijn armen trekt om zijn spin te vergroten, alleen op een heel andere schaal!
Het instorten van de stellaire kernen had nog een ander gevolg; Het magnetische veld van de moederster wordt ook verpletterd. Dat wil zeggen, wanneer de magnetische veldlijnen dicht op elkaar gepropt zijn Het verhoogt de sterkte van het magnetische veld Ze zijn samengesteld.
Als gevolg hiervan hebben neutronensterren enkele van de meest massieve sterke magnetische velden in het bekende universum. Deze magnetische velden leiden de deeltjes naar de polen van de pulsar, waar ze in jets worden uitgeschoten met bijna de lichtsnelheid van elke pool. Pulsars lijken “aan en uit” te flikkeren – daarom dachten astronomen aanvankelijk dat het pulsars waren – maar dat is het resultaat van het licht dat deze jets met regelmatige, ongelooflijk precieze intervallen naar ons toe creëren. Dit betekent dat pulsars kunnen worden gebruikt als Een uitstekende timer.
De compressie en expansie van ruimte-tijd terwijl zwaartekrachtgolven erdoorheen gaan, zou het vermogen moeten hebben om de timing van pulsars te onderscheiden, ofwel door ze te vertragen of te versnellen als ze passeren. Dit veroorzaakt een heel klein verschil in de aankomsttijd van het licht van deze pulsars. Omdat het effect klein is, Pulsar timing-arrays Het moet bestaan uit vele wijdverspreide pulsars die jarenlang moeten worden gevolgd.
Voor NANOGrav is geduld nu gekomen met dit effect op pulsars die nu een signaal van laagfrequente zwaartekrachtgolven detecteren.
“Kortom, de aarde wiebelt – een klein beetje – op zwaartekrachtgolven die lichtjaren lang zijn,” zei Ransom. “En we zagen dit met behulp van een groep van ongeveer 70 milliseconden lange pulsars verspreid over ons deel van de Melkweg.”
De reden waarom deze ontdekking zo belangrijk is, is dat we nu zwaartekrachtgolven detecteren van bronnen die we nog niet eerder hadden onderzocht. Het onthulde dat het vroege universum gevuld was met superzware dubbelsterren van zwarte gaten.
Dit is belangrijk, want hoewel wetenschappers nu weten dat de meeste, zo niet alle sterrenstelsels een superzwaar zwart gat hebben, weten ze nog niet zeker hoe deze kosmische reuzen zijn gegroeid. Een van de voorgestelde mechanismen is a reeks fusies Tussen binaire paren van grotere en later zwarte gaten.
Dit laagfrequente signaal van zwaartekrachtgolven wijst op een manier om te begrijpen hoe dit in het vroege universum heeft kunnen gebeuren dat heeft geleid tot enkele superzware zwarte gaten die miljoenen of zelfs miljarden keren de massa van de zon hebben.
Bovendien, aangezien deze zwarte gaten hoogstwaarschijnlijk worden afgeleverd in de spiraalvormige dans van de dood die tot hun fusie leidt door botsende sterrenstelselsEen beter begrip van het binaire fusieproces van zwarte gaten betekent een beter begrip van hoe sterrenstelsels groeien en hoe het universum als geheel evolueerde.
Er is ook Kleine kans dat kleine fragment Van het zwaartekrachtgolfsignaal dat is opgevangen door de pulsar-timingarray ter grootte van de Melkweg, is afkomstig van zwaartekrachtgolven die aan het begin van de tijd tijdens de oerknal zijn gecreëerd, met golflengten variërend van de grootte van de Melkweg – ongeveer 100.000 lichtjaar – De grootte van de Virgo-supercluster van sterrenstelsels – ongeveer 100 miljoen lichtjaar verwijderd.
“Dit is opwindend. Het bewijs geleverd door NANOGrav toont eens te meer aan dat waarnemingen van zwaartekrachtgolven een heel nieuw venster op het universum openen”, vertelde KU Leuven, kosmoloog en oude Spethen Hawking-medewerker Thomas Hertog, die niet bij het onderzoek betrokken was, aan Space .. “In de komende jaren en decennia zullen we de hele geschiedenis van het universum tot in detail samenvatten door te luisteren naar het gezoem van zwaartekrachtgolven die door onze planeet gaan. Spannende tijden inderdaad!”
Wat de toekomst betreft, legde Ransom uit hoe NANOGrav nu op zoek gaat naar een gevoelige radiotelescoop op het noordelijk halfrond ter vervanging van Arecibo-telescoop, die in december 2020 instortte. Totdat dit is gevonden, zal de samenwerking de gegevens vergelijken met andere pulsar-timingarrays om zich te concentreren op de bron van de laagfrequente zwaartekrachtgolfsignalen.
“Met voortdurende observaties zouden we individuele bronnen moeten gaan zien als zuivere tonen boven deze zwaartekrachtgolfachtergrond. Deze bronnen kunnen ook worden geïdentificeerd en bestudeerd met behulp van elektromagnetische golven – een nieuw soort extragalactische multimessage-astronomie, ” concludeerde Ransom. “Ik ben zo enthousiast over deze ontwikkeling! We hebben er meer dan 15 jaar aan gewerkt en ik ben niet erg geduldig!”
“Bierliefhebber. Toegewijde popcultuurgeleerde. Koffieninja. Boze zombiefan. Organisator.”
More Stories
Een nieuw rapport zegt dat het gebruik van ras en etniciteit soms “schadelijk” is in medisch onderzoek
SpaceX lanceert 23 Starlink-satellieten vanuit Florida (video en foto’s)
NASA zegt dat de “Halloween-komeet” zijn vlucht langs de zon niet heeft overleefd