# تردد الكشف عن موجة الجاذبية

ربما سمعت في الأخبار أن تجربة LIGO اكتشفت مؤخرًا موجة جاذبية.

على الرغم من أنني لست عالمة فلك ، إلا أن الورقة جيدة القراءة ويمكن الوصول إليها في الغالب. إن اكتشاف الموجة الثقالية شيء واحد ، لكن اندماج الثقب الأسود جديد تمامًا بالنسبة لي. من البيانات التي استطعت جمعها في الورقة وهذا الموقع ، يقدر المصدر بـ 1.3 مليار سنة ، واستمر الزقزقة بضعة أجزاء من الألف من الثانية.

سؤالي: ما هو تواتر أحداث هذا الحجم؟ هل هناك تقدير لكثافة مثل هذه الأحداث في الكون؟

استشهد هاري (2009) بعدة مصادر مختلفة ذكرت أنه ، على حد علمنا ، معدل قابل للاكتشاف ستكون الأحداث

• 40 عملية اندماج نجمي نيوتروني في السنة
• 30 10 مليون دولار _ odot $عمليات اندماج الثقوب السوداء سنويًا • 10 عمليات اندماج نجمي نيوتروني / ثقب أسود سنويًا هذا داخل دائرة نصف قطرها حوالي 200 ميجا لكل قناة. ومع ذلك ، لا يمكن استخدام هذا لاستقراء المعدل الإجمالي لمثل هذه الأحداث ، بسبب تحيز الاكتشاف - فكلما زادت كتلة الأجسام ، زادت سهولة اكتشافها. يحدث الشيء نفسه مع الكواكب الخارجية ، ولكن لأسباب مختلفة (على سبيل المثال ، من السهل اكتشاف الكواكب الأكثر ضخامة أو الأقرب إلى نجومها عبر العبور أو عن طريق طرق السرعة الشعاعية). إن معدل موجات الجاذبية المكتشفة بهذه السعة أو اكتشاف موجات الجاذبية بسبب اندماج ثنائيات الثقب الأسود كلاهما كميات غير معروفة في الوقت الحالي. قياس هذه هو جزء من الغرض من التجربة. يمكن تحويل معدلات الاكتشاف إلى معدل عمليات اندماج لكل وحدة حجم في الفضاء ويمكن مقارنتها بالنماذج والتنبؤات. أصدر تعاون aLIGO أول ورقة بحثية بعد الكشف عن هذا الموضوع بالذات - Abbott et al. (2016). تشير الكتلة العالية للثقوب السوداء المكتشفة إلى أنها إما تشكلت في بيئة فقيرة بالمعادن من انهيار لب النجوم الضخمة أو أنها تشكلت من اندماج ثقوب سوداء أصغر في مجموعات كثيفة. غطى نطاق المعدلات التي تم التنبؤ بها سابقًا لعمليات اندماج هذه الكائنات نطاقًا كبيرًا بسبب الشكوك الهائلة في معدل الإنتاج وآليات التكوين الثنائي لهذه الكائنات ، وتقع في النطاق من 0 إلى حوالي 1000 في السنة لكل جيجابارسك مكعب. المعدل الذي يشير إليه في الواقع أعزب الكشف عن اندماج ثنائي BH (من 16 يومًا فقط من البيانات) عند$ z = 0.09 $في مكان ما بين 2 و 400 في السنة لكل Gigaparsec مكعب. لذا في الوقت الحالي ، لا يستبعد هذا كثيرًا حقًا ، ولكن من المتوقع أنه مع بعض الاكتشافات الإضافية في الأشهر المقبلة ، ستنخفض حالة عدم اليقين بشأن هذا الرقم بسرعة. كما قد تكون خمنت ، فإن هذا السؤال له أهمية كبيرة لفريق LIGO. بالتزامن مع نشر الورقة التي ذكرتها للإعلان عن الاكتشاف ، قدم فريق LIGO عددًا من الأوراق المصاحبة مع مزيد من التفاصيل حول الاكتشاف والتنبؤات. واحدة من هذه تتناول سؤالك: معدل اندماجات الثقب الأسود الثنائي المستنتج من ملاحظات LIGO المتقدمة المحيطة GW150914 تعتبر طريقة تقدير معدل الحدث الخاصة بهم كلا من GW150914 ، وحدثًا آخر أضعف بشكل ملحوظ (وأقل أهمية من الناحية الإحصائية). إنهم يأخذون في الاعتبار عددًا من النماذج لكيفية اعتماد معدل الحدث على خصائص النظام ، ويسألون عما تشير إليه ملاحظات GW150914 والحدث المرشح الآخر للمعدل الإجمالي. تختلف النتائج من نموذج إلى آخر ، لكنهم اختاروا النماذج التي شعروا أنها يمكن أن تضع سلوكًا مقبولًا في الفيزياء الفلكية تقريبًا. كما تم تلخيصه في ملخصهم: بالنظر إلى GW150914 فقط ، بافتراض أن جميع BBHs في الكون لها نفس الكتل والدوران مثل هذا الحدث ، وفرض حد إنذار خاطئ قدره 1 لكل 100 عام ، وبافتراض أن معدل اندماج BBH ثابت في الإطار المتزامن ، فإننا نستنتج 90 ٪ نطاق موثوق به من$ 2-53 ، mathrm {Gpc} ^ {- 3} ، mathrm {yr} ^ {- 1} $(إطار الانتقال). بدمج جميع المشغلات التي تتجاوز حد البحث مع مراعاة عدم اليقين في الأصل الفيزيائي الفلكي لكل مشغل ، فإننا نقدر معدلًا أعلى يتراوح من$ 6-400 ، mathrm {Gpc} ^ {- 3} ، mathrm {yr } ^ {- 1} $اعتمادًا على افتراضات حول توزيع كتلة BBH. إجمالاً ، تقع تقديرات الأسعار المتنوعة لدينا في النطاق المتحفظ$ 2-400 ، mathrm {Gpc} ^ {- 3} ، mathrm {yr} ^ {- 1} $. لاحظ أن الورقة مقدمة وليست منشورة ، أي ما زالت قيد المراجعة من قبل الزملاء. عند التحدث بصفتي شخصًا لديه خبرة في مثل هذه الحسابات ، فإن بعض جوانب الطريقة تبدو مريبة بالنسبة لي ، لذلك أعتقد أنه من الجدير مراجعة المقالة مرة أخرى في غضون أسابيع قليلة لإجراء المراجعات. لا يتطلب الأمر منهجية رائعة لمعرفة أن ترتيب الحجم هنا (عدد قليل إلى ~ 100 لكل جيجابارسك مكعب في السنة) في الملعب الصحيح. لكن الورقة تقدم منهجية يمكن أن تقدم تقديرات وتنبؤات أكثر تفصيلاً ودقة مع تراكم البيانات ، لذلك من المهم التأكد من أن المنهجية سليمة. ## موجات الجاذبية: تصنيف تنبأ أينشتاين بموجات الجاذبية - ولكن من أين تأتي ، وما الأنواع المختلفة التي قد تكون موجودة في الكون؟ مقياس موجات الجاذبية صغير وضخم في نفس الوقت. في حين أن التموجات التي تسببها طفيفة للغاية بحيث لا يمكن اكتشافها تقريبًا ، إلا أن أطوالها الموجية يمكن أن تكون شاسعة: أكبر بكثير من الموجات الكهرومغناطيسية الأكثر شيوعًا - بدءًا من موجات الراديو إلى الأشعة السينية - التي يستخدمها علماء الفلك لمشاهدة الفضاء. إذن ما هي موجات الجاذبية؟ يتم إنتاج هذه التموجات في الزمكان كلما تسارعت أي كتلة. ومع ذلك ، من غير المحتمل أن تكون موجات الجاذبية من مصادر على الأرض قابلة للاكتشاف على الإطلاق ، لأن الأجسام على الأرض ليست ضخمة بما يكفي أو لا تتسارع بالسرعة الكافية. بدلاً من ذلك ، علينا البحث عن الإشارات القادمة من مصادر في الكون ، حيث تكون الكتل والحركات على نطاق فلكي. في الآونة الأخيرة ، أصبح اكتشاف موجات الجاذبية الناتجة عن الأجرام السماوية الضخمة أمرًا ممكنًا ، لذا يمكن استخدامها كأداة إضافية لمراقبة الأحداث والأجسام في الفضاء - وهو احتمال مثير لعلماء الفلك اليوم. رسم توضيحي يظهر قمرًا صناعيًا LISA ، وهو جزء من نظام الكشف عن موجات الجاذبية المستقبلية الذي سيتم وضعه في الفضاء. AEI / MM / exozet ## المزيد من الأخبار من A&S معمل ديفيس / متوفر تُظهر هذه الصورة المركبة مكان تواجد ذرات السيلينيوم في بلورة ديسلينيد النيوبيوم ، وهو معدن انتقالي ثنائي كالكوجينيد ، باستخدام الفحص المجهري النفقي التقليدي الممسوح ضوئيًا (يسار ، باللون الرمادي) وحيث تتم ملاحظة أزواج الإلكترون باستخدام المجهر النفقي الممسوح من جوزيفسون (يمين) باللون الأزرق). ## مرصد أريسيبو يساعد الباحثين في العثور على "تلميحات أولية" محتملة لموجات الجاذبية منخفضة التردد على الرغم من أن الباحثين استخدموا بيانات مرصد أريسيبو ، إلا أنهم لم يعودوا قادرين على إجراء الملاحظات باستخدام المرصد منذ انهياره في ديسمبر بعد الكابلات المعطلة في أغسطس ونوفمبر. بقلم روبرت ويلز | 11 يناير 2021 تم استخدام البيانات من مرصد Arecibo في بورتوريكو للمساعدة في اكتشاف أول تلميحات محتملة لاضطرابات التردد المنخفض في انحناء الزمكان. تم عرض النتائج اليوم في الاجتماع 237 للجمعية الفلكية الأمريكية ، والذي عقد افتراضيًا ، وتم نشرها في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. يتم إدارة مرصد Arecibo من قبل جامعة سنترال فلوريدا للمؤسسة الوطنية للعلوم بموجب اتفاقية تعاونية. تُعرف الاضطرابات بموجات الجاذبية ، والتي تموج عبر الفضاء نتيجة حركة الأجسام الضخمة بشكل لا يصدق ، مثل الثقوب السوداء التي تدور حول بعضها البعض أو تصادم النجوم النيوترونية. من المهم فهم هذه الموجات لأنها توفر نظرة ثاقبة لتاريخ الكون وتوسع معرفة الباحثين بالجاذبية بعد حدود الفهم الحالية. على الرغم من أن موجات الجاذبية تعمل على شد نسيج الزمكان والضغط عليه ، إلا أنها لا تؤثر على البشر وأي تغييرات في المسافات النسبية بين الأجسام ستغير ارتفاع الشخص بأقل من واحد على المائة من عرض شعرة الإنسان. يقول جوزيف سيمون ، زميل ما بعد الدكتوراه في مركز الفيزياء الفلكية وعلم الفلك الفضائي بجامعة كولورادو بولدر. قدم سايمون النتائج في المجتمع اليوم ، وهو الباحث الرئيسي في الورقة ، وهو عضو في مرصد نانوهيرتز لأمواج الجاذبية في أمريكا الشمالية ، أو NANOGrav ، الفريق الذي أجرى البحث. NANOGrav هي مجموعة تضم أكثر من 100 عالم فلك من جميع أنحاء الولايات المتحدة وكندا ، ويتمثل هدفهم المشترك في دراسة الكون باستخدام موجات الجاذبية منخفضة التردد. في عام 2015 ، قام مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) التابع لـ NSF بإجراء أول ملاحظة مباشرة لموجات الجاذبية عالية التردد باستخدام قياس التداخل ، وهي طريقة قياس تستخدم تداخل الموجات الكهرومغناطيسية. النتائج الجديدة التي توصل إليها باحثو NANOGrav فريدة من نوعها لأن علماء الفلك وجدوا تلميحات محتملة لموجات الجاذبية منخفضة التردد باستخدام التلسكوبات الراديوية ، حيث لا يمكن اكتشافها بواسطة LIGO. كلا الترددين مهمان لفهم الكون. كان مفتاح البحث عبارة عن أداتين ممولتين من مؤسسة العلوم الوطنية - تلسكوب جرين بانك في فرجينيا الغربية ومرصد أريسيبو في بورتوريكو. قدم مرصد أريسيبو ، بطبقه الذي يبلغ قطره 1000 قدم بيانات دقيقة للغاية ، في حين أن تلسكوب جرين بانك ، الذي يتمتع بتغطية أكبر للسماء ، أخذ عينات من مجموعة واسعة من المعلومات اللازمة لتمييز اضطرابات الموجات الثقالية عن التأثيرات الأخرى ، كما يقول سايمون. يقول: "نوقن نصف النجوم النابضة تقريبًا مع كل تلسكوب". "يوفر كل تلسكوب حوالي نصف حساسيتنا الكلية بطريقة تكميلية." على الرغم من أن الباحثين استخدموا بيانات Arecibo للدراسة ، إلا أنهم لم يعودوا قادرين على إجراء ملاحظات بها منذ انهيار المرصد في ديسمبر بعد الكابلات المعطلة في أغسطس ونوفمبر. يقول سايمون: "لقد كان يومًا فظيعًا حقًا عندما انهار التلسكوب". "أشعر بفقدان صديق جيد ، ونحن نشعر بالحزن الشديد على أصدقائنا وزملائنا في بورتوريكو. للمضي قدمًا ، نأمل في زيادة مقدار الوقت الذي نستخدمه في تلسكوب جرين بانك للتعويض جزئيًا على الأقل عن خسارة Arecibo. يجب بناء تلسكوب لاسلكي كبير آخر لمنطقة التجميع في الولايات المتحدة قريبًا إذا أردنا أن يزدهر هذا المجال البحثي ". تمكن الباحثون من اكتشاف التلميحات المحتملة لموجات الجاذبية منخفضة التردد باستخدام التلسكوبات لدراسة الإشارات من النجوم النابضة ، وهي نجوم صغيرة كثيفة تدور حول نفسها ترسل نبضات من موجات الراديو على فترات زمنية محددة باتجاه الأرض. هذا الانتظام يجعلها مفيدة في الدراسة الفلكية ، وغالبًا ما يشار إليها باسم حراس الوقت في الكون. يمكن لموجات الجاذبية أن تقطع انتظامها ، مسببة انحرافات في إشارات النجوم النابضة التي تصل إلى الأرض ، مما يشير إلى أن موضع الأرض قد تغير قليلاً. من خلال دراسة توقيت الإشارات المنتظمة من العديد من النجوم النابضة المنتشرة في السماء في نفس الوقت ، والمعروفة باسم "مصفوفة توقيت النجوم النابضة" ، كان NANOGrav قادرًا على اكتشاف التغيرات الدقيقة في موقع الأرض ربما بسبب موجات الجاذبية التي تمدد وتقلص الفضاء- زمن. كان NANOGrav قادرًا على استبعاد بعض التأثيرات بخلاف موجات الجاذبية ، مثل التداخل من المادة في النظام الشمسي أو بعض الأخطاء في جمع البيانات. لتأكيد الاكتشاف المباشر لتوقيع من موجات الجاذبية منخفضة التردد ، سيتعين على الباحثين في NANOGrav إيجاد نمط مميز في الإشارات بين النجوم النابضة الفردية. في هذه المرحلة ، تكون الإشارة ضعيفة للغاية بحيث لا يمكن تمييز مثل هذا النمط ، وفقًا للباحثين. يتطلب تعزيز الإشارة أن تقوم NANOGrav بتوسيع مجموعة البيانات الخاصة بها لتشمل المزيد من النجوم النابضة التي تمت دراستها لفترات زمنية أطول ، مما سيزيد من حساسية المصفوفة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تجميع بيانات NANOGrav & # 8217s جنبًا إلى جنب مع تلك المستمدة من تجارب مجموعة توقيت النجوم النابضة الأخرى ، وهو جهد مشترك من قبل مصفوفة توقيت النجم النابض الدولي ، قد يكشف عن مثل هذا النمط. مصفوفة توقيت النجوم النابضة الدولية عبارة عن تعاون بين الباحثين الذين يستخدمون أكبر تلسكوبات راديو في العالم. في الوقت نفسه ، تقوم NANOGrav بتطوير تقنيات للتأكد من أن الإشارة المكتشفة لا يمكن أن تكون من مصدر آخر. إنهم ينتجون محاكاة حاسوبية تساعد في اختبار ما إذا كانت الضوضاء المكتشفة ناتجة عن تأثيرات أخرى غير موجات الجاذبية ، من أجل تجنب الاكتشاف الخاطئ. يقول سايمون: "إنه لأمر مثير للغاية أن نرى مثل هذه الإشارة القوية تنبثق من البيانات". "ومع ذلك ، نظرًا لأن إشارة الموجة الثقالية التي نبحث عنها تمتد طوال مدة ملاحظاتنا ، فنحن بحاجة إلى فهم ضوضاءنا بعناية. هذا يتركنا في مكان مثير للاهتمام للغاية ، حيث يمكننا بشدة استبعاد بعض مصادر الضوضاء المعروفة ، لكن لا يمكننا حتى الآن تحديد ما إذا كانت الإشارة بالفعل من موجات الجاذبية. لذلك ، سنحتاج إلى المزيد من البيانات ". يقول Benetge Perera ، العالم في مرصد Arecibo والمتخصص في استخدام ملاحظات النجوم النابضة لاكتشاف موجات الجاذبية ، إن البحث يهدف إلى فتح نافذة جديدة في طيف ترددات الموجات الثقالية. & # 8220A اكتشاف الموجات الثقالية منخفضة التردد من شأنه أن يعزز فهمنا لثنائيات الثقوب السوداء الهائلة ، وتطور المجرات ، والكون ، "كما يقول بيريرا ، وهو أيضًا عضو في NANOGrav. ويقول إنه على الرغم من انهيار مرصد أريسيبو ، لا يزال هناك الكثير من البيانات المؤرشفة للتعمق فيها لمواصلة التعرف على موجات الجاذبية. "كان Arecibo مهمًا جدًا لأن بيانات التوقيت الخاصة به قدمت حوالي 50 بالمائة من حساسية NANOGrav & # 8217s لموجات الجاذبية" ، كما يقول. "أريد التأكد من أن البيانات الحساسة التي جمعناها قبل انهيار Arecibo لها أعلى تأثير علمي ممكن. & # 8221 ## تكتشف NANOGrav "تلميحات أولية" محتملة لموجات الجاذبية منخفضة التردد في البيانات التي تم جمعها وتحليلها على مدى 13 عامًا ، وجد مرصد أمريكا الشمالية Nanohertz لموجات الجاذبية (NANOGrav) إشارة مثيرة للاهتمام منخفضة التردد قد تُعزى إلى موجات الجاذبية. تسببها حركات الأجسام الضخمة بشكل لا يصدق ، مثل الثقوب السوداء التي تدور حول بعضها البعض أو تصادم النجوم النيوترونية ، فإن موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان لا يمكن ملاحظتها بواسطة التلسكوبات التقليدية. قام باحثو NANOGrav بدراسة الإشارات من النجوم النابضة البعيدة - النجوم الصغيرة الكثيفة التي تدور بسرعة ، وتنبعث منها موجات الراديو ، مثل المنارة - استخدموا التلسكوبات الراديوية لجمع البيانات التي قد تشير إلى تأثيرات موجات الجاذبية. تم تقديم بحثهم في دراستين تم نشرهما في عدد يناير 2021 من ملاحق مجلة الفيزياء الفلكية . قالت إليزابيث فيرارا ، عالمة الأبحاث المشاركة في قسم علم الفلك في جامعة ماريلاند وعالم أبحاث ناسا وهو مؤلف مشارك للدراسة. "في الوقت الحالي ، الإشارة مهمة ، لكن NANOGrav غير قادر بعد على تثبيت المصدر على موجات الجاذبية. ومع ذلك ، فهذه خطوة أولى ضرورية في عملية فتح النافذة التالية على عالم الجاذبية ". ستساعد المزيد من الدراسات الباحثين على تأكيد ما إذا كانوا قد اكتشفوا موجات الجاذبية ومن أين أتوا. قال جوزيف سيمون ، الباحث الرئيسي في الأوراق البحثية: "إنه لأمر مثير للغاية أن نرى مثل هذه الإشارة القوية تنبثق من البيانات". "ومع ذلك ، نظرًا لأن إشارة الموجة الثقالية التي نبحث عنها تمتد طوال مدة ملاحظاتنا ، فنحن بحاجة إلى فهم ضوضاءنا بعناية. هذا يتركنا في مكان مثير للاهتمام للغاية ، حيث يمكننا بشدة استبعاد بعض مصادر الضوضاء المعروفة ، لكن لا يمكننا حتى الآن تحديد ما إذا كانت الإشارة بالفعل من موجات الجاذبية. لذلك ، سنحتاج إلى المزيد من البيانات ". تمكنت NANOGrav من استبعاد بعض التأثيرات التي تسببها أشياء أخرى غير موجات الجاذبية ، مثل التداخل من المادة في نظامنا الشمسي أو بعض الأخطاء في جمع البيانات. وضعت هذه النتائج الجديدة الاكتشاف المباشر لموجات الجاذبية كخطوة رئيسية محتملة تالية لـ NANOGrav وأعضاء آخرين في مصفوفة توقيت النجوم النابضة الدولية (IPTA) ، وهو تعاون من الباحثين باستخدام أكبر تلسكوبات راديو في العالم. اختار نانوغراف دراسة الإشارات من النجوم النابضة لأنها تعمل كساعات مجرية يمكن اكتشافها ويمكن الاعتماد عليها. تدور هذه النجوم الصغيرة الكثيفة بسرعة ، وترسل نبضات من موجات الراديو على فترات زمنية محددة باتجاه الأرض. في الواقع ، يُشار إلى النجوم النابضة عمومًا باسم حراس الوقت في الكون ، وقد جعلتها هذه السمة الفريدة مفيدة للدراسة الفلكية. لكن يمكن لموجات الجاذبية أن تقطع هذا الانتظام الملحوظ ، حيث تتسبب التموجات في أن يمر الزمكان بكميات ضئيلة من التمدد والتقلص. ينتج عن هذه التموجات انحرافات صغيرة للغاية في الأوقات المتوقعة لإشارات النجوم النابضة التي تصل إلى الأرض. تشير هذه الانحرافات إلى أن موضع الأرض قد تغير قليلاً. من خلال دراسة توقيت الإشارات المنتظمة من العديد من النجوم النابضة المنتشرة في السماء في نفس الوقت ، والمعروفة باسم "مصفوفة توقيت النجوم النابضة" ، يعمل NANOGrav على اكتشاف التغيرات الدقيقة في موضع الأرض بسبب تمدد موجات الجاذبية وتقلص الزمكان. قال بيدرو مارونيتي ، مدير برنامج فيزياء الجاذبية بالمؤسسة الوطنية للعلوم (NSF): "لقد عملت NANOGrav على أول اكتشاف لموجات الجاذبية منخفضة التردد لأكثر من عقد ، ويظهر إعلان اليوم أنها تسير على الطريق الصحيح لتحقيق هذا الهدف". "الرؤى التي سنكتسبها في علم الكونيات وتكوين المجرات لا مثيل لها حقًا." NANOGrav هو تعاون بين علماء الفيزياء الفلكية الأمريكيين والكنديين وهو مركز حدود فيزياء NSF (PFC). أضافت مورا ماكلولين ، المدير المشارك لـ NANOGrav PFC ، "نحن ممتنون جدًا لدعم NANOGrav PFC ، والذي سمح لنا بزيادة عدد النجوم النابضة التي يتم توقيتها وعدد المشاركين الذين يعملون على تحليل البيانات على مدار الساعة بشكل كبير. السنوات الست الماضية ". أنشأ NANOGrav مصفوفة توقيت النجوم النابضة من خلال دراسة 47 من "النجوم النابضة ميلي ثانية" الأكثر ثباتًا ، كما ورد في ملاحق مجلة الفيزياء الفلكية. لا يمكن استخدام كل النجوم النابضة لاكتشاف الإشارات التي يبحث عنها NANOGrav - فقط النجوم النابضة الأكثر ثباتًا والأطول دراسة ستفعل. تدور هذه النجوم النابضة مئات المرات في الثانية ، بثبات مذهل ، وهو أمر ضروري للحصول على الدقة المطلوبة لاكتشاف موجات الجاذبية. من أصل 47 من النجوم النابضة التي تمت دراستها ، كان لدى 45 منها مجموعات بيانات طويلة بما يكفي لمدة ثلاث سنوات على الأقل لاستخدامها في التحليل. اكتشف الباحثون الذين يدرسون البيانات توقيعًا طيفيًا ، وهي ميزة ضوضاء منخفضة التردد ، وهي نفسها عبر العديد من النجوم النابضة. تغييرات التوقيت تعتبر دراسات NANOGrav صغيرة جدًا لدرجة أن الدليل ليس واضحًا عند دراسة أي نجم نابض فردي ، ولكن بشكل إجمالي ، فإنها تضيف ما يصل إلى توقيع كبير. الخطوات التالية المحتملة من أجل تأكيد الاكتشاف المباشر لتوقيع من موجات الجاذبية ، سيتعين على الباحثين في NANOGrav إيجاد نمط مميز في الإشارات بين النجوم النابضة الفردية. في هذه المرحلة ، تكون الإشارة ضعيفة جدًا بحيث يتعذر تمييز مثل هذا النمط. يتطلب تعزيز الإشارة أن تقوم NANOGrav بتوسيع مجموعة البيانات الخاصة بها لتشمل المزيد من النجوم النابضة التي تمت دراستها لفترات زمنية أطول ، مما سيزيد من حساسية المصفوفة. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال تجميع بيانات NANOGrav جنبًا إلى جنب مع تلك من تجارب مجموعة توقيت النجوم النابضة الأخرى ، قد يكشف الجهد المشترك من قبل IPTA عن مثل هذا النمط. في الوقت نفسه ، تقوم NANOGrav بتطوير تقنيات للتأكد من أن الإشارة المكتشفة لا يمكن أن تكون من مصدر آخر. يقوم باحثو NanoGrav بإنتاج محاكاة حاسوبية تساعد في اختبار ما إذا كانت الضوضاء المكتشفة ناتجة عن تأثيرات أخرى غير موجات الجاذبية ، من أجل تجنب الكشف الخاطئ. قال سكوت رانسوم ، من المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي ، والرئيس الحالي لـ NANOGrav: "إن محاولة الكشف عن موجات الجاذبية باستخدام مصفوفة توقيت النجوم النابضة تتطلب الصبر". "نقوم حاليًا بتحليل أكثر من اثني عشر عامًا من البيانات ، ولكن من المحتمل أن يستغرق الاكتشاف النهائي بضع سنوات أخرى. إنه لأمر رائع أن تكون هذه النتائج الجديدة هي بالضبط ما نتوقع رؤيته مع اقترابنا من الاكتشاف ". مثل الضوء من الأجسام البعيدة ، فإن موجات الجاذبية هي إشارة رسول كونية - وهي إشارة تحمل إمكانات كبيرة لفهم الأجسام "المظلمة" ، مثل الثقوب السوداء. في عام 2015 ، أجرى مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) التابع لمؤسسة NSF أول رصد مباشر لموجات الجاذبية. يستخدم LIGO ونظرائه ، برج العذراء في أوروبا وكاجرا في اليابان ، مرافق قياس التداخل المصممة لهذا الغرض لاكتشاف موجات الجاذبية عالية التردد. ومع ذلك ، على عكس الإشارات العابرة التي اكتشفها LIGO و Virgo و Kagra ، فإن موجات الجاذبية منخفضة التردد مستمرة ، مما يتطلب سنوات عديدة من البيانات للكشف عنها. على مدار العقد الماضي ، استخدم NANOGrav التلسكوبات الراديوية الحالية للبحث عن أدلة على موجات الجاذبية منخفضة التردد هذه ، والتي لديها القدرة على المساعدة في الإجابة على الأسئلة الطويلة الأمد في الفيزياء الفلكية ، بما في ذلك كيفية تشكل الثقوب السوداء الضخمة وكيف تندمج المجرات. تم اقتباس هذه القصة من نص قدمه NANOGrav. هذا العمل مدعوم من قبل مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) مركز حدود الفيزياء (جائزة رقم 1430284). يستخدم NANOGrav البيانات من اثنين من الأجهزة المدعومة من NSF: تلسكوب البنك الأخضر منشأة تابعة لمؤسسة العلوم الوطنية تعمل في ولاية فرجينيا الغربية بموجب اتفاقية تعاونية من قبل Associated Universities، Inc. ومرصد أريسيبو ، منشأة تابعة لمؤسسة العلوم الوطنية تعمل في بورتوريكوبموجب اتفاقية تعاونية (# AST-1744119) من قبل جامعة سنترال فلوريدا (UCF) بالتحالف مع Universidad Ana G. Méndez (UAGM) و Yang Enterprises (YEI)، Inc. الاتصال بالعلاقات الإعلامية: كيمبرا كاتليب ، 301-405-9463 ، [email protected] جامعة ماري لاند كلية الحاسبات والرياضيات والعلوم الطبيعية 2300 قاعة سيمونز كوليدج بارك ، ماريلاند 20742 www.cmns.umd.edu UMDscience حول كلية علوم الحاسب والرياضيات والطبيعية تقوم كلية علوم الكمبيوتر والرياضيات والطبيعية بجامعة ماريلاند بتعليم أكثر من 9000 من قادة المستقبل العلميين في برامج البكالوريوس والدراسات العليا كل عام. تعزز الأقسام العشرة بالكلية وأكثر من اثني عشر مركزًا بحثيًا متعدد التخصصات الاكتشاف العلمي بتمويل أبحاث سنوي يتجاوز 200 مليون دولار. ## مصادر الكشف العامة • القائمة الكاملة لمنشورات LSC. (راجع Runs O1 والإصدارات الأحدث للأوراق بعد الاكتشاف الأول.): قم بتنزيل بيانات LIGO / Virgo أو استكشف البرامج التعليمية حول تحليل بيانات موجات الجاذبية. راجع أيضًا صفحة إصدار البيانات لتنزيل بيانات LIGO / Virgo. وتاريخ موجز لمشروع LIGO. • تحتوي صفحة أصول Caltech Media للجهاز GW150914 على ثروة من المستندات والرسومات ومقاطع الفيديو المفيدة. : رسم تفاعلي يُظهر الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية والنجوم النيوترونية المعروفة بقياسات الكتلة. (Northwestern / Frank Elavsky / LIGO-Virgo): رسم تفاعلي يظهر الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية المعروفة من الموجات الثقالية المرشحة وثنائيات الأشعة السينية. (كلية الفيزياء والفلك بجامعة كارديف / كريس نورث): مخطط تفاعلي يعرض خصائص اكتشاف موجات الجاذبية والمرشحات. (كلية الفيزياء والفلك بجامعة كارديف / كريس نورث): عارض موجي ثقالي تفاعلي ، يُظهر أشكال إشارات موجة الجاذبية التي اكتشفها LIGO-Virgo (كلية الفيزياء والفلك بجامعة كارديف / كريس نورث): موقع ويب يشرح LIGO الاكتشافات وفيزياء الموجات الثقالية عن طريق التناظر بين موجات الجاذبية والإشارات الصوتية. (جامعة ولاية مونتكلير / مارك فافاتا): أداة تفاعلية تتيح لك مقارنة رؤى الكون في مجموعة من الأطوال الموجية. يُظهر أيضًا مواقع إشارات الموجات الثقالية المكتشفة. (مجموعات أجهزة علم الفلك وعلم الفلك بجامعة كارديف): مشروع علم المواطن لمساعدة LIGO في البحث عن موجات الجاذبية من خلال تحسين تصنيف الخلل. : استخدم وقت المعالجة الخاملة لجهاز الكمبيوتر الخاص بك للمساعدة في البحث عن النجوم النابضة باستخدام بيانات موجات الجاذبية والراديو وأشعة جاما. : يحتوي على مواد أساسية حول موجات الجاذبية وأنشطة الفصل الدراسي التي تتوافق مع معايير العلوم من رياض الأطفال وحتى الصف الثاني عشر. (جامعة ولاية سونوما) استضافتها في موقع LIGO Lab. وصفحة Facebook وصفحة Twitter. • نغمات "Chirp" من أول عمليتي اكتشاف LIGO. (تعليمات). GW150914 [ملف m4r (iPhone) | ملف mp3 (أندرويد)] GW151226 [ملف m4r (آيفون) | ملف mp3 (Android)] ## جامعة ولاية أوريغون: تقود ولاية أوريغون جهدًا قيمته 17 مليون دولار لفهم الكون عبر موجات الجاذبية منخفضة التردد جامعة ولاية أوريغون هي المؤسسة الرائدة لمركز National Science Foundation الذي تبلغ قيمته 17 مليون دولار والمخصص لدفع حدود المعرفة الفيزيائية من خلال دراسة الكون من خلال موجات الجاذبية منخفضة التردد ، وتموجات في نسيج الزمكان. بتمويل من NSF كمركز حدود الفيزياء ، مرصد أمريكا الشمالية Nanohertz لموجات الجاذبية ، أو NANOGrav ، مجموعة بحثية في OSU تعمل تحت إشراف Xavier Siemens ، أستاذ الفيزياء في كلية العلوم بجامعة ولاية أوهايو. سيمنز ، التي انضمت إلى هيئة التدريس في ولاية أوريغون في عام 2019 ، أدارت سابقًا مركز NANOGrav Physics Frontier في جامعة ويسكونسن ميلووكي ، حيث تم إطلاقه في عام 2015 مع جائزة بقيمة 14.5 مليون دولار من NSF. المنحة الجديدة التي مدتها خمس سنوات هي عبارة عن تجديد مشترك في إدارتها سيمنز وماورا ماكلولين ، عالمة الفلك بجامعة ويست فيرجينيا. وسيساعد في تمويل تعاون ما يقرب من 200 باحث في الفيزياء الفلكية في 18 جامعة ، بما في ذلك دافيد لازاتي من جامعة ولاية أوريغون وحوالي 20 طالبًا جامعيًا وخريجًا في ولاية أوريغون. وقالت سيمنز إن جامعة ولاية أوهايو ستتلقى حوالي 600 ألف دولار سنويًا. تم رصد موجات الجاذبية لأول مرة بشكل مباشر ، بواسطة مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية ، في سبتمبر 2015 ، وهو حدث بارز في الفيزياء وعلم الفلك أكد أحد التنبؤات الرئيسية لنظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين عام 1915. اكتشف الباحثون موجات الجاذبية هذه ، الناتجة عن اصطدام ثقبين أسودين ، باستخدام مقياسي تداخل LIGO التوأمين في ليفينغستون ، لويزيانا ، وهانفورد ، واشنطن. قال سيمنز إن موجات الجاذبية التي اكتشفها ليجو ، والتي أنشأتها تلك الأنواع من "ثنائيات الثقب الأسود" ، لها ترددات تبلغ حوالي 100 هرتز ، أو 100 دورة في الثانية. LIGO هو تعاون دولي ممول من NSF. قال: "نحن نبحث عن موجات ثقالية بترددات 11 مرة أقل من تلك التي يرصدها ليجو". نحن نستخدم ، بدلاً من الليزر والمرايا في نهاية الأنابيب المفرغة ، النجوم النابضة الراديوية والتلسكوبات الراديوية. يمكننا استخدام تلك النجوم النابضة كساعات تنتشر عبر السماء ، ويمكننا أن نرى كيف تتغير دقات الساعات من موجات الجاذبية التي تمر عبر مجرتنا ". تدور النجوم النابضة بسرعة حول بقايا النجوم الضخمة التي انفجرت على شكل مستعرات أعظم ، وترسل نبضات من موجات الراديو بانتظام شديد ، تُعرف مجموعة منها بمصفوفة توقيت النجوم النابضة ، أو PTA. سيبحث NANOGrav عن إشارات موجات الجاذبية باستخدام تلسكوب Green Bank في ولاية فرجينيا الغربية ، والمصفوفة الكبيرة جدًا في نيو مكسيكو ، وتجربة رسم خرائط كثافة الهيدروجين الكندية في كندا. يوضح سيمنز أن استخدام PTA لاكتشاف "جوقة" من إشارات موجات الجاذبية من العديد من عمليات اندماج الثقوب السوداء فائقة الكتلة - الموصوفة كخلفية عشوائية لموجات الجاذبية - تحمل وعدًا أكبر لفهم الكون من اكتشاف موجة واحدة من أسود واحد. ثقب التصادم الثنائي. قال: "كل إشارة تشبه نغمة ، ونحن لسنا فقط بعد واحدة من هذه النغمات - نريد أن نسمع الجوقة بأكملها". "نريد أن نسمع الجوقة الجماعية لجميع ثنائيات الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تندمج في الكون." الثقوب السوداء فائقة الكتلة هي أكبر أنواع الثقوب السوداء ، وتبلغ كتلتها ملايين إلى مليارات المرات من كتلة الشمس ، وهي موجودة في مراكز المجرات. قال سيمنز: "ربما رأينا بالفعل الإشارات الأولى لإشارة موجة الجاذبية". "سيضمن هذا المركز حصول الباحثين على الموارد اللازمة لاستكشاف واحدة من أكثر الحدود إثارة في جميع مجالات الفيزياء وعلم الفلك." ولاية أوريغون هي واحدة من 11 مؤسسة تستضيف مركز NSF Physics Frontiers Center وواحدة من ثلاث من مؤتمر Pacific 12 ، ومدرستا Pac-12 الأخريان هما جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، وجامعة كولورادو. ومن قائمة المواقع الحدودية للفيزياء جامعة روتشستر برينستون ، وجامعة إلينوي رايس ، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وولاية ميتشجن ، وجامعة ميريلاند. تتراوح مجالات البحث في المراكز الأخرى من الفيزياء البيولوجية النظرية وفيزياء الخلايا الحية إلى المعلومات الكمومية والفيزياء الفلكية النووية. ## الإشارات الأولية المحتملة لموجات الجاذبية منخفضة التردد التي تتغلغل في الكون علماء الفيزياء الفلكية في فاندربيلت ، بقيادة أستاذ P مساعد من P hysics و A stronomy ، هم جزء من مجموعة من الباحثين الذين ربما وجدوا أول تلميحات لموجات الجاذبية منخفضة التردد من الثقوب السوداء الهائلة المندمجة في مجرات أخرى. تم جمع البيانات وتحليلها داخل مرصد Nanohertz لأمواج الجاذبية في أمريكا الشمالية. ستيفن تايلور نُشرت الورقة ، "مجموعة بيانات NANOGrav التي تبلغ مدتها 12.5 عامًا: البحث عن خلفية موجات الجاذبية العشوائية المتناحية الخواص" ، في عدد ديسمبر 2020 من رسائل مجلة الفيزياء الفلكية وتمت مناقشته في مؤتمر صحفي خلال الاجتماع الافتراضي للجمعية الفلكية الأمريكية في 11 يناير. وفقًا لبيان إخباري صادر عن مؤسسة العلوم الوطنية ، فإن موجات الجاذبية هي إشارة رسول كونية - وهي إشارة تحمل إمكانات كبيرة لفهم الأجسام "المظلمة" ، مثل الثقوب السوداء. لا يستطيع علماء الفلك مراقبة هذه الموجات باستخدام التلسكوب كما يفعلون مع النجوم والمجرات. بدلاً من ذلك ، يقيسون التأثيرات التي تحدثها موجات الجاذبية التي تمر بها ، أي تغييرات طفيفة في الموقع الدقيق للأجسام - بما في ذلك موضع الأرض نفسها. اختار نانوغراف دراسة الإشارات التي يمكن الاعتماد عليها من النجوم النابضة. هذه النجوم الصغيرة الكثيفة ، والتي يشار إليها عادة باسم حافظة الوقت في الكون ، تدور بسرعة ، وترسل نبضات من موجات الراديو باتجاه الأرض على فترات زمنية محددة. إن صفته الفريدة جعلتها مفيدة للدراسة الفلكية. من بين النجوم النابضة البالغ عددها 47 الأكثر ثباتًا والتي تدور مئات المرات في الثانية ، قدمت 45 مجموعة بيانات لمدة ثلاث سنوات على الأقل لكل منها. مكنت هذه الكمية من البيانات تايلور وزملائه من تحديد توقيع منخفض التردد عبر عدة نجوم نابضة. توقيت نانوغراف بولسار (NANOGrav / T. كلاين) تمثل نتائج هذا البحث الخطوة الأولى في فهم أوسع لكون الجاذبية. “ This is a very important milestone in the search for low frequency gravitational waves ,” Taylor said . “ The discovery of this signal in common across many of our precisely timed pulsars could be the tantalizing first hint of gravitational waves. We can’t say for sure yet, but we expect to know within the next couple of years. ” Definitive detection of gravitational waves will take time and innovative techniques. “The Vanderbilt group has a central position in the leadership of this research and in the development of the sophisticated tools being used to carry out the search es,” Taylor said. “ The next year or two are going to be very exciting !” The work also builds on Taylor’s previous research to determine the precise center of gravity of our solar system . “ NANOGrav has been building to the first detection of low frequency gravitational waves for over a decade , and today’s announcement shows that they are on track to achieving this goal,” said Pedro Marronetti , NSF p rogram d irector for gravitational physics. “The insights that we will gain on cosmology and galaxy formation are truly unparalleled.” The NANOGrav project receives support from National Science Foundation Physics Frontiers Center award No. 1430284. The Arecibo Observatory is a facility of the National Science Foundation operated under cooperative agreement (#AST-1744119) by the University of Central Florida in alliance with Universidad Ana G. Méndez and Yang Enterprises Inc. The Green Bank Observatory is a facility of the National Science Foundation operated under cooperative agreement by Associated Universities Inc. Taylor’s work is also supported by the National Science Foundation, award No. 2007993. ## A different kind of gravitational wave detector Physicists Jason Hogan and Mark Kasevich are developing a smaller-scale technique for measuring gravitational waves. Credit: L.A. Cicero Hidden deep in a basement at Stanford stands a 10-meter-tall tube, wrapped in a metal cage and draped in wires. A barrier separates it from the main room, beyond which the cylinder spans three stories to an apparatus holding ultra-cold atoms ready to shoot upward. Tables stocked with lasers to fire at the atoms—and analyze how they respond to forces such as gravity—fill the rest of the laboratory. The tube is an atom interferometer, a custom-built device designed to study the wave nature of atoms. According to quantum mechanics, atoms exist simultaneously as particles and waves. The Stanford instrument represents a model for an ambitious new instrument ten times its size that could be deployed to detect gravitational waves—minute ripples in spacetime created by energy dissipating from moving astronomical objects. The instrument also could shed light on another mystery of the universe: dark matter. Stanford experimental physicists Jason Hogan and Mark Kasevich never intended for their device to be implemented this way. When Hogan began his graduate studies in Kasevich's lab, he focused instead on testing gravity's effects on atoms. But conversations with theoretical physicist Savas Dimopoulos, a professor of physics, and his graduate students—often lured downstairs by an espresso machine housed directly across the hall from Kasevich's office—led them to start thinking about its utility as a highly sensitive detector. "We were just talking physics, as physicists often do," says Kasevich, a professor of physics and applied physics at Stanford's School of Humanities and Sciences. One thing led to another and the group landed on a bold plan for creating an atom interferometer capable of detecting gravitational waves that no one has seen before. Their idea fits into another wave sweeping through physics, one that involves co-opting exquisitely sensitive instruments developed for other purposes to answer fundamental questions about nature. A new detection method In 2015, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detected a brief signal from a 1.3 billion-year-old collision between two supermassive black holes. Since then, LIGO has cataloged more gravitational waves passing through Earth, providing astronomers with a powerful new lens with which to study the universe. Gravitational waves are ripples in space-time, much like ocean waves—except they distort space, not water. In theory, any accelerating mass, whether a waving hand or an orbiting planet, produces gravitational waves. These movements, however, occur at levels far below our ability to detect them. Only gravitational waves from immense astronomical phenomena cause large enough shifts in space-time that they can be recognized by sensors on Earth. Just as different frequencies make up the electromagnetic spectrum, gravitational waves also vary. LIGO and other current gravitational wave detectors sense a very narrow range—high-frequency waves such as those from the moment two black holes collide—but other parts of the gravitational wave spectrum remain unexplored. And just as astronomers can learn new things about a star by studying its ultraviolet light versus its visible light, analyzing data from other gravitational wave frequencies could help solve mysteries of space that are currently out of reach, including those about the early universe. "We identified a region of the spectrum that wasn't well-covered by any other detector, and it happened to be a match for the methods that we were already developing," said Hogan, an assistant professor of physics in the School of Humanities and Sciences. During Hogan's graduate studies, he and his colleagues constructed the 10-meter-tall atom interferometer to test some of their ideas. However, in order to increase the sensitivity of the device—necessary to detect space-time wiggles smaller than the width of a proton—they need a bigger detector. And thus the 100-meter Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor, or MAGIS-100, experiment was born. With help from a$9.8 million grant from the Gordon and Betty Moore Foundation, scientists plan to make an existing underground shaft at Fermilab, a Department of Energy National Laboratory in Illinois, MAGIS-100's new home.

"You can find holes in the ground, but it's kind of hard to find a hole in the ground with a lab attached to it," said Rob Plunkett, a senior scientist at Fermilab involved with the project.

Conceptually, MAGIS-100 will work similar to LIGO. Both experiments harness light to measure the distance between two test masses, much like radar ranging. But while LIGO has mirrors, MAGIS-100 favors atoms.

"The atom turns out to be an amazing test mass for these purposes," said Hogan. "We have very powerful techniques for manipulating it and allowing it to be insensitive to all the background sources of noise."

LIGO's mirrors hang on glass threads, meaning that an earthquake could set off its sensors. MAGIS-100, on the other hand, has measures in places to prevent such sources of extraneous noise from affecting its data.

After being cooled to a fraction of a degree above absolute zero, the atoms are dropped vertically into the shaft like dripping water droplets from a faucet. The frigid temperature puts the atoms into a state of rest, so they remain still as they fall, and because the shaft is a vacuum, the atoms plummet without risk of veering off course. The shaft's vertical orientation also ensures that a shaking Earth won't affect the measurements.

Lasers then manipulate the falling atoms and the team can measure how long they are in an excited state. Hogan and Kasevich hope to employ strontium as their test mass—the same element used in atomic clocks—to determine whether there are any time delays when light excites atoms. A delay would suggest a gravitational wave passed through.

In addition, MAGIS-100 scientists can use the atomic data to test predictions made by dark matter models. According to some models, the presence of dark matter could lead to variations in atomic energy levels. The supersensitive laser technology allows Plunkett and collaborators to look for these variations.

MAGIS-100 is a prototype, another step toward building an even larger device that would be many times more sensitive. Hogan and Kasevich said they envision one day building something on the scale of LIGO, which is 4-kilometers long.

Because a future full-scale MAGIS-100 should detect low-frequency gravitational waves around 1 Hertz, such as those emitting from two black holes orbiting around each other, it could identify the same events that LIGO has already seen, but before the masses actually collide. The two experiments could thus complement one another.

"We could make a detector that could see the same system, but much, much younger," said Hogan.

Advanced MAGIS-style detectors might also find sources of gravitational waves that fly under LIGO's radar. Primordial gravitational waves, for example, produced moments after the Big Bang.

"Detecting gravitational waves that originated from the early universe can shed light on what actually happened," said Kasevich.

No one knows the frequencies of these primordial gravitational waves or whether the future large-scale detector can pick them up. Hogan said that he believes as many detectors as possible should be built in order to cover a broad range of frequencies and simply see what is out there.

"The known sources that are exciting are these LIGO-like sources," said Hogan. "Then there are the unknown, which we should be open to as well."

## Race to detect gravitational waves intensifies

A network of pulsars being used to search for gravitational waves, or ripples in space-time predicted by general relativity. These waves cause changes in the arrival times of pulsar radio signals that are correlated between pulsars in a way that depends on their separation on the sky. They are detectable from Earth with sensitive radio timing observations. Image credit: David Champion The National Science Foundation (NSF) has awarded the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) \$14.5 million over 5 years to create and operate a Physics Frontiers Center (PFC).

The NANOGrav PFC will address a transformational challenge in astrophysics: the detection of low-frequency gravitational waves. Gravitational waves are elusive ripples in the fabric of space-time, which theories predict should arise from extremely energetic and large-scale cosmic events, such as orbiting pairs of massive black holes found at the centres of merging galaxies, phase transitions in the very early universe, or as relics from cosmic inflation, the period just after the Big Bang when all of the universe that we can see expanded rapidly from a minuscule volume in a tiny fraction of a second.

In Einstein’s theory of gravity, these events produce waves that distort, or ripple, the actual fabric of the cosmos as they propagate throughout space. These low-frequency waves have such a long wavelength &mdash significantly larger than our Solar System &mdash that we cannot build a detector large enough to observe them. Fortunately, the universe itself has created its own detection tool, millisecond pulsars &mdash the rapidly spinning, superdense remains of massive stars that have exploded as supernovas. These ultra-stable stars are nature’s most precise celestial clocks, appearing to “tick” every time their beamed emissions sweep past the Earth like a lighthouse beacon. Gravitational waves may be detected in the small but perceptible fluctuations &mdash a few tens of nanoseconds over five or more years &mdash they cause in the measured arrival times at Earth of radio pulses from these millisecond pulsars.

NANOGrav was founded in 2007 and at the time consisted of 17 members in the United States and Canada. It has since grown to 55 scientists and students at 15 institutions. The NANOGrav PFC will provide funding for 23 senior personnel, 6 postdoctoral researchers, 10 graduate students, and 25 undergraduate students distributed across 11 institutions.

Xavier Siemens, a physicist at the University of Wisconsin-Milwaukee, is the principal investigator for the project and will serve as director of the center. Maura McLaughlin, an astronomer at West Virginia University in Morgantown, will serve as co-director.

NSF currently supports nine other PFCs, which range in research areas from theoretical biological physics and the physics of living cells to quantum information and nuclear astrophysics. By bringing together astronomers and physicists from across the United States and Canada to search for the telltale signature of gravitational waves buried in the incredibly steady ticking of distant pulsars, NANOGrav is advancing the PFC mission to “foster research at the intellectual frontiers of physics” and to “enable transformational advances in the most promising research areas.”

“For pulsar astronomers to be able to detect these gravitational waves, we really need the best and most sensitive radio telescopes in the world,” said Scott Ransom, an astronomer with the National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in Charlottesville, Va., and one of the founding members of NANOGrav. “In the United States, we have the two best &mdash the Green Bank Telescope in West Virginia with its fantastic sky coverage and the Arecibo Observatory in Puerto Rico with its unmatched sensitivity. These instruments have given us a huge edge in this research.”

“NANOGrav is now poised to detect low-frequency gravitational waves,” said Siemens. “This center will ensure that researchers have the resources necessary to explore one of the most exciting frontiers in all of physics and astronomy.”

The NSF’s Robert C. Byrd Green Bank Telescope, which will join in the NANOGrav hunt for gravitational waves. Image credit: NRAO/AUI/NSF This research makes use of the unique capabilities and sensitivity of the Arecibo Observatory in Puerto Rico and NRAO’s Green Bank Telescope (GBT). The GBT is located in the National Radio Quiet Zone, which protects the incredibly sensitive telescope from unwanted radio interference, enabling it to study pulsars and other astronomical objects. Arecibo is the largest single dish radio telescope in the world today.

“NANOGrav is fortunate to have access to the two most sensitive telescopes in the world for this groundbreaking research,” McLaughlin stated. “Furthermore, as many of our observations are performed by students, the telescopes are serving a vital role in creating a pipeline for science and technology fields.”