الفلك

ألا يمكن استخدام النجوم النابضة في قياس موجات الجاذبية؟

ألا يمكن استخدام النجوم النابضة في قياس موجات الجاذبية؟

لنفترض أننا جمعنا فوتونات من نجم بعيد ، وأنها تصل بانتظام إلى 15 فوتونًا كل ميكرو ثانية على CCD ، عندما تنحني موجة الجاذبية الزمان المكاني ، ألن يتأرجح الرسم البياني لـ 15 فوتونًا نتيجة لموجة الجاذبية؟

لماذا يجب على مرصد ليزا أن يقارن توقيتات الليزر ، إذا كانت النجوم النابضة دقيقة مثل الساعات الذرية ، ألا يمكنها فقط مقارنة مجموعة من الإشارات النابضة؟ سيتحرك قمر صناعي واحد يسجل 50 نجمًا نابضًا مقارنة بالنجوم النابضة وسيكون له تردد 50 هرتز مع نبضات يمكن رسمها على ترددات كيلوهرتز.


ألا يمكن استخدام النجوم النابضة في قياس موجات الجاذبية؟

من الناحية النظرية ، نعم. راجع مقالة ناسا لعام 2017 الاستماع إلى موجات الجاذبية باستخدام النجوم النابضة.

لنفترض أننا جمعنا فوتونات من نجم بعيد ، وأنها تصل بانتظام إلى 15 فوتونًا كل ميكرو ثانية على CCD ، عندما تنحني موجة الجاذبية الزمان والمكان ، ألن يتأرجح الرسم البياني العادي لـ 15 فوتونًا نتيجة لموجة الجاذبية؟

نوع من. عندما تمر الموجة الثقالية ، سنخضع لتمدد زمني طفيف. لذلك سيبدو كما لو أن النجم النابض قد تسارع.

لماذا يجب على مرصد ليزا أن يقارن توقيتات الليزر ، إذا كانت النجوم النابضة دقيقة مثل الساعات الذرية ، ألا يمكنها فقط مقارنة مجموعة من الإشارات النابضة؟ سيتحرك قمر صناعي واحد يسجل 50 نجمًا نابضًا مقارنة بالنجوم النابضة وسيكون له تردد 50 هرتز مع نبضات يمكن رسمها على ترددات كيلوهرتز.

آسف ، لا أعرف الجواب على ذلك. لكن انظر إلى مقالة Wikipedia على LISA ولاحظ أنه من المقرر عقدها في ثلاثينيات القرن الحالي. يمكن أن يحدث الكثير بين الحين والآخر. ربما لن تمضي قدما.


كيف يكتشف LIGO و LISA وما إلى ذلك موجات الجاذبية

الهدف من الأدوات مثل LIGO و LISA هو قياس التغيرات المتغيرة بمرور الوقت في المسافة ضمن أذرع مختلفة للأداة. في حالة وجود ذراع موجه في اتجاه موجة جاذبية واردة (GW) ، سيزداد طول الذراع وينقص ، بينما يظل الذراع العمودي الموجه بدون تغيير.

طريقة قياس ذلك هي تقسيم شعاع الليزر ، وإرسال كل نصف إلى أسفل الذراعين المختلفين ، ثم إعادة تجميعهم وإلقاء نظرة على نمط التداخل. إذا كان للذراعين أطوال متطابقة ، فإن الحزم سوف تتداخل بشكل مدمر. ومع ذلك ، إذا أصبح أحد الأذرع أطول (أو أقصر) ، فإن الحزم المعاد تجميعها ستكون خارج الطور ، ولن يكون لديك بعد الآن تداخل مدمر كامل.

مفتاح القدرة على قياس هذا النوع من الأشياء بدقة هو شيئين:

  1. طول الذراع ، وبالتالي فإن الحزمة التي تنتقل إلى أسفل المسار ذي الطول المتغير لديها وقت لتجميع انزياح طور كبير بما يكفي لتغيير نمط التداخل بما يكفي للقياس. تؤدي الأذرع الأطول إلى تحولات أكبر في الطور ، وهذا هو السبب في أن LISA تهدف إلى الحصول على أذرع يبلغ طولها 2.5 مليون كيلومتر.

  2. الطول الموجي للضوء: كلما كان الطول الموجي أقصر ، يجب أن يكون التحول الفعلي في طول الذراع أصغر لجعل الشعاع يتحول بشكل ملحوظ في الطور. إذا كانت الحزم المعاد تجميعها تختلف في الطور بنسبة 0.001٪ ، فسيكون من الصعب للغاية اكتشاف وقياس التغيير في نمط التداخل. ولكن إذا اختلفوا في المرحلة بنسبة 50٪ ، فسيكون الفرق واضحًا. الأطوال الموجية الأقصر تجعل تحولات الطور أكبر.

إذا كنت تريد التفكير في قياس التداخل كنوع من قياس التوقيت (أي أننا ، بمعنى ما ، نقيس الفرق في الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال إلى أسفل الذراعين) ، إذن الضوء البصري أفضل بكثير من الراديو لقياسات "التوقيت".

توقيت النجم النابض

كما أشرت ، هناك نكون المشاريع التي تستخدم النجوم النابضة لمحاولة الكشف عن موجات الجاذبية (على سبيل المثال ، مصفوفات توقيت النجوم النابضة).

تعمل هذه عن طريق قياس التأخير الزمني في وصول النبضات الراديوية من النجوم النابضة بالمللي ثانية. ومع ذلك ، من المهم ملاحظة القيود: من أجل قياس وقت الوصول بدقة ، عليك مراقبة نجم نابض على مدى عدة دقائق (أو أكثر) و أضف ما يصل كل النبضات القادمة للحصول على قيمة واحدة دقيقة. (أنت ليس قياس التغييرات بين وصول نبضة واحدة والنبضة التالية.) ثم كرر هذا القياس بعد عدة أسابيع أو أشهر للحصول على وقت وصول آخر. نظرًا لأنك تقوم بأخذ قياسات على فترات متباعدة بين أسابيع أو أشهر ، فلا يمكنك إلا اكتشاف الاختلافات على نفس النطاق الزمني ، ولهذا السبب تأمل مصفوفات توقيت النجوم النابضة في اكتشاف GW بفترات تتراوح من أشهر إلى سنوات (على سبيل المثال ، من ثقوب سوداء فائقة الكتلة). أنواع GWs التي يكتشفها LIGO - بفترات كسور من الثانية - تتجاوز تمامًا ما يمكن أن تفعله مصفوفات توقيت النجوم النابضة.

لا يمكننا استخدام الضوء البصري من النجوم ، لأننا لا نعرف أي نجم ينتج دورية منتظمة بشكل رائع لنجم نابض بالمللي ثانية.

كتعليق أخير ، فإن سيناريو الفوتونات التي "تصل بانتظام بـ 15 فوتونًا كل ميكروثانية إلى CCD" لديه مشكلة أن ضوضاء Poisson (المعروف أيضًا باسم "ضوضاء اللقطة") تعني أنك لا في الواقع تحصل على 15 فوتونًا كل ميكروثانية ؛ ستحصل عليه حول 15 كل ميكرو ثانية (التسلسل النموذجي قد يبدو كالتالي: 16 ، 15 ، 18 ، 15 ، 14 ، 14 ، 15 ، 23 ، 16 ، 12 ، ...). مع هذا التباين الكبير ، من الصعب حقًا اكتشاف الاختلافات الدقيقة في قوة الإشارة الجوهرية.


النقطة الأخرى التي يجب طرحها ، هي أن التردد المتوقع لموجات الجاذبية التي تكتشفها يختلف بين أنظمة توقيت ليزا والنجوم النابض. هذا يغير بعد ذلك أنواع الأنظمة التي ستكتشفها. يجب أن تجد مصفوفات توقيت النجم النابض اندماجات ضخمة للثقب الأسود ، بينما يجب أن تجد ليزا ؛ الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية قبل سنوات من اندماجها ، وثنائيات قزم أبيض في المجرة (أيضًا ليست مندمجة) ، وكذلك ثقوب سوداء متوسطة الكتلة (مندمجة). لذا فإن الكواشف المختلفة لها استخدامات مختلفة ، حتى لو كان من الممكن جعل أحدها أكثر دقة من الآخر.


هل قدمت النجوم النابضة لمحة عن موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء الهائلة؟

يمكن أن تكون ملاحظة الانحرافات الصغيرة في أوقات وصول النبضات الراديوية من النجوم النيوترونية أول لمحة عن موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء الهائلة - وفقًا لعلماء الفلك الذين يعملون على مصفوفة توقيت النجوم النابضة NANOGrav. قام الفريق بمسح 12.5 عامًا من البيانات من تلسكوبين راديويين بحثًا عن أدلة على موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج أعداد كبيرة من أزواج الثقوب السوداء فائقة الكتلة عبر تاريخ الكون. على الرغم من أن هذه الملاحظة الأولية بعيدة كل البعد عن أن تكون حاسمة ، إلا أن النتيجة تشجع علماء الفلك ويعتقدون أن وجود خلفية موجات جاذبية كونية يمكن تأكيده قريبًا من خلال مراقبة المزيد من النجوم النابضة على مدى فترات زمنية أطول.

توجد الثقوب السوداء الهائلة في مراكز معظم المجرات - بما في ذلك مجرة ​​درب التبانة - ولها كتل تبلغ ملايين أو حتى مليارات أضعاف كتلة الشمس. مع تطور المجرات واندماجها ، يمكن للثقوب السوداء فائقة الكتلة أن تدور حول بعضها البعض وتندمج في النهاية - تبث موجات الجاذبية. تساهم عمليات الاندماج هذه في خلفية موجات الجاذبية الكونية ، والتي يُعتقد أنها نشاز شبيه بالضوضاء للموجات التي تتخلل الكون.

سيوفر قياس هذه الخلفية لعلماء الفلك ثروة من المعلومات حول كيفية تشكل المجرات وتطورها. ومع ذلك ، لا يمكن اكتشاف موجات الجاذبية ذات التردد المنخفض جدًا من عمليات الاندماج الهائلة باستخدام مراصد LIGO-Virgo الحالية لموجات الجاذبية.

الساعات السماوية

لحسن الحظ ، توفر النجوم النابضة بالمللي ثانية طريقة لسبر موجات الجاذبية هذه. النجوم النابضة تدور بسرعة حول النجوم النيوترونية التي ترسل نبضات من الإشعاع باتجاه الأرض. ترددات نبضاتها مستقرة للغاية - فهي في الواقع تعمل كـ "ساعات سماوية" ذات ثباتات تنافس تلك الموجودة في الساعات الذرية.

تراقب مصفوفة توقيت النجوم النابضة NANOGrav إشارات من 45 نجمًا نابضًا مختلفًا في مواقع مختلفة في السماء. إذا كانت موجة الجاذبية تنتقل بين الأرض ونجم نابض (أو والعكس صحيح) ، فإن المسافة بيننا وبين النجم النابض سوف تتوسع وتتقلص بشكل طفيف. تنتقل النبضات بسرعة الضوء ، لذلك ستصل النبضات إلى الأرض خلال الانكماش في وقت أسرع مما كان متوقعًا ، بينما ستصل النبضات لاحقًا أثناء التمدد.

يعتمد انحراف زمن الوصول هذا على الزاوية بين الاتجاه إلى النجم النابض واتجاه حركة موجة الجاذبية. لذا ، فإن مقارنة أوقات الوصول من مجموعة من النجوم النابضة المختلفة يجب أن تكشف عن تأثير موجات الجاذبية. ومع ذلك ، فإن قياس هذا التأثير صعب للغاية لأن الانحرافات تكون في حدود بضع مئات من النانو ثانية وتحدث على مدى فترات زمنية من السنوات.

على المنحنى

طريقة فعالة للبحث عن هذا التأثير هي قياس الارتباطات بين أوقات وصول النبضات من أزواج من النجوم النابضة. عند رسمها كدالة للزاوية بين النجوم النابضة ، تكون النتيجة "منحنى Hellings – Downs". هذا المنحنى مستقل عن اتجاه موجات الجاذبية لذا يمكن استخدامه للبحث عن دليل لخلفية الموجة الثقالية الكونية - والتي يجب أن تتضمن موجات تتحرك في جميع الاتجاهات.

تم رصد إشارات الراديو من النجوم النابضة البالغ عددها 45 نجمًا لمدة 12.5 عامًا باستخدام مرصد أريسيبو في بورتوريكو (الذي تم إغلاقه منذ ذلك الحين) وتلسكوب جرين بانك في ولاية فرجينيا الغربية. بعد إجراء تحليل إحصائي شامل للبيانات ، وجد فريق NANOGrav دليلًا أوليًا محيرًا يؤثر شيئًا ما على أوقات الوصول من النجوم النابضة المختلفة.

تقول جولي كومرفورد عضوة NANOGrav في جامعة كولورادو بولدر.

اصطياد موجات الجاذبية باستخدام النجوم النابضة

ومع ذلك ، فإن الفريق غير قادر حتى الآن على استنتاج أن التأثير المرصود هو نتيجة خلفية موجة الجاذبية الكونية. على وجه الخصوص ، لم يكن الفريق قادرًا على إنشاء علاقات متبادلة بين أزواج النجوم النابضة.

يقول جوزيف سيمون من NANOGrav ، الموجود أيضًا في بولدر: "لقد وجدنا إشارة قوية في مجموعة البيانات الخاصة بنا ، ولكن لا يمكننا القول بعد أن هذه هي خلفية موجة الجاذبية".

يضيف سكوت رانسوم من المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي بالولايات المتحدة ، & # 8220 محاولة اكتشاف 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. & # 8221


يجد NANOGrav "تلميحات أولية" محتملة لخلفية موجة الجاذبية منخفضة التردد

في البيانات التي تم جمعها وتحليلها على مدى 13 عامًا ، وجد مرصد أمريكا الشمالية Nanohertz لمركز حدود فيزياء موجات الجاذبية إشارة مثيرة للاهتمام منخفضة التردد قد تُعزى إلى موجات الجاذبية.

يقيس باحثو NANOGrav - بما في ذلك العديد من قسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة وست فرجينيا ومركز موجات الجاذبية وعلم الكونيات - أوقات وصول النبضات الراديوية من النجوم الغريبة التي تسمى النجوم النابضة ذات التلسكوبات الراديوية الكبيرة ، بما في ذلك تلسكوب جرين بانك في مقاطعة بوكاهونتاس ، فرجينيا الغربية. النجوم النابضة هي نجوم صغيرة كثيفة تدور بسرعة وتصدر موجات راديو تبث مثل المنارة. تُظهر نتائج مجموعة البيانات الأحدث هذه اضطرابات في أوقات الوصول من هذه النجوم النابضة والتي قد تشير إلى تأثيرات موجات الجاذبية ، كما ورد مؤخرًا في مجلة Astrophysical Journal Letters. المصدر الأكثر احتمالا لهذه الموجات الثقالية هو الإشارة المجمعة من جميع أزواج الثقوب السوداء الهائلة في قلب المجرات البعيدة المدمجة.

استبعد NANOGrav بعض التأثيرات بخلاف 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 تالية محتملة لـ NANOGrav وأعضاء آخرين في مصفوفة توقيت النجوم النابضة الدولية ، وهو تعاون من الباحثين باستخدام أكبر تلسكوبات راديو في العالم.

قال داستن ماديسون ، "لا يمكننا القول بثقة أن ما نراه هو موجات جاذبية ، ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فإن" الإشارة "تكون منطقية نظرًا لما نعتقد أننا نعرفه عن الثقوب السوداء فائقة الكتلة". باحث ما بعد الدكتوراه في WVU. "كان هذا دائمًا ما كان سيحدث - إغراء تلميحات للإشارة قبل أن نتمكن من المطالبة بشكل قاطع بالكشف. نحن على الطريق الصحيح لإجراء هذا التقييم النهائي في غضون عامين فقط ".

وبالنظر إلى المستقبل ، يعتقد أن الباحثين سيكونون قادرين بعد ذلك على تمييز الإشارة ومعرفة المزيد منها لسنوات وسنوات قادمة.

موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان ناتجة عن تحركات الأجسام الضخمة بشكل لا يصدق ، مثل الثقوب السوداء التي تدور حول بعضها البعض أو تصادم النجوم النيوترونية. لا يستطيع علماء الفلك مراقبة هذه الموجات باستخدام التلسكوب مثلما 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. تم اكتشاف موجات الجاذبية لأول مرة في عام 2015 بواسطة مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية من قبل فريق يضم باحثين آخرين في WVU. مثل الضوء من الأجسام البعيدة ، فإن موجات الجاذبية هي إشارة رسول كونية - وهي إشارة تحمل إمكانات كبيرة لفهم الأجسام "المظلمة" ، مثل الثقوب السوداء.

اختار NANOGrav دراسة الإشارات من النجوم النابضة لأنها تعمل كساعات مجرة ​​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.

"هذه الإشارة جذابة للغاية. قالت سارة بورك-سبولور ، الأستاذة المساعدة في WVU وعضو NANOGrav ، إنه من الممكن أن تكون أوركسترانا مضبوطة ، مما يشير إلى أننا على وشك سماع السمفونية الضخمة للموجات من الثقوب السوداء الهائلة التي نتوقعها تنتشر في الكون. "إذا كانت هذه الإشارة هي بالفعل موجات جاذبية ، فستقدم الدراسة المستقبلية رؤى فريدة حول كيفية تشكل وتطور أكبر الثقوب السوداء والمجرات في كوننا."

قال بيدرو مارونيتي ، مدير برنامج NSF لفيزياء الجاذبية: "تعمل NANOGrav على الاكتشاف الأول 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 من الولايات المتحدة وكندا ومركز حدود الفيزياء التابع لمؤسسة العلوم الوطنية.

قالت مورا ماكلولين ، أستاذة الفيزياء والفلك المتميزة في جامعة WVU والمديرة المشاركة لـ NANOGrav PFC: "نحن ممتنون جدًا لدعم NANOGrav PFC. لقد سمح لنا ذلك بزيادة عدد النجوم النابضة التي يتم توقيتها بشكل كبير. وعدد المشاركين العاملين على أبحاث NANOGrav خلال السنوات الست الماضية ".

لعبت WVU دورًا مهمًا في PFC. اثنا عشر من أصل 63 مؤلفًا في هذه الورقة هم أعضاء هيئة التدريس في جامعة WVU وباحثو ما بعد الدكتوراة والطلاب. يعد اكتشاف الموجات الثقالية منخفضة التردد أحد الأهداف الرئيسية لمركز موجات الجاذبية وعلم الكونيات ، الذي تم تشكيله في عام 2015 جنبًا إلى جنب مع جائزة PFC.

قال دنكان لوريمر ، أستاذ WVU وعميد كلية إبرلي المشارك للبحوث: "لقد لعب الدعم المؤسسي طويل الأمد المقدم من كلية وجامعة إبرلي دورًا مهمًا في نجاح NANOGrav منذ إنشائها في عام 2007".

ابتكر NANOGrav مجموعة توقيت النجوم النابضة الخاصة به من خلال دراسة 47 من أكثر النجوم النابضة ثباتًا مع كل من GBT ومرصد Arecibo في بورتوريكو كما ورد في ملحق مجلة الفيزياء الفلكية في يناير 2021. لا يمكن استخدام كل النجوم النابضة لاكتشاف الإشارات التي يبحث عنها NANOGrav - فقط النجوم النابضة الأكثر ثباتًا والأطول دراسة هي التي ستفعل. تدور هذه النجوم النابضة مئات المرات في الثانية بثبات مذهل ، وهو أمر ضروري للحصول على الدقة المطلوبة لاكتشاف موجات الجاذبية ودراستها.

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. كشف الباحثون الذين يدرسون البيانات عن توقيع طيفي ، وهي ميزة ضوضاء منخفضة التردد هي نفسها عبر العديد من النجوم النابضة. تغيرات التوقيت كانت 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.

لتأكيد الاكتشاف المباشر لتوقيع من موجات الجاذبية ، سيتعين على الباحثين في NANOGrav إيجاد نمط مميز في الإشارات بين النجوم النابضة الفردية.

في هذه المرحلة ، فإن حساسية التجربة ليست كافية حاليًا بما يكفي لتمييز 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.

يعد الطلاب وأعضاء هيئة التدريس في WVU مساهمين مهمين في هذا الجهد ، وقد سافر 24 طالبًا من WVU إلى البلدان الشريكة لـ IPTA لإجراء بحث في الخارج كجزء من البرامج الممولة من NSF بقيادة WVU.

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.

في حين أن السنوات العديدة القادمة تحمل قدرًا كبيرًا من الوعود العلمية ، فإنها لا تخلو من التحديات. مع الانهيار الأخير لتلسكوب مرصد أريسيبو البالغ طوله 305 مترًا ، ستبحث NANOGrav عن مصادر بديلة للبيانات وتعمل بشكل أوثق مع زملائها الدوليين. على الرغم من أنه من غير المتوقع حدوث تأخيرات كبيرة في الكشف بسبب سنوات من بيانات Arecibo الحساسة جدًا التي تساهم بالفعل في مجموعات البيانات الخاصة بها ، فإن فقدان Arecibo يمثل ضربة مروعة للعلم بشكل عام. بالنسبة إلى NANOGrav ، قد يؤثر ذلك على القدرة على تمييز الخلفية واكتشاف أنواع أخرى من مصادر موجات الجاذبية في المستقبل في غياب أداة أخرى. يؤثر فقدان التلسكوب أيضًا بشكل مباشر على الدراسات العليا للعديد من طلاب الدكتوراه في WVU. يشعر أعضاء NANOGrav بحزن عميق بسبب الانهيار وتأثيره على الموظفين وجزيرة بورتوريكو.

لمزيد من المعلومات حول NANOGrav ، قم بزيارة http://nanograv.org.

يتم دعم أبحاث NANOGrav في WVU من خلال جائزة NSF PFC رقم. 1430284 وجائزة NSF OIA رقم. 1458952. مرصد Arecibo هو مرفق تابع لمؤسسة العلوم الوطنية يتم تشغيله بموجب اتفاقية تعاونية (رقم AST-1744119) من قبل جامعة وسط فلوريدا بالتحالف مع Universidad Ana G. Méndez and Yang Enterprises، Inc. منشأة تابعة لمؤسسة العلوم الوطنية تعمل بموجب اتفاقية تعاونية من قبل Associated Universities، Inc.


يجد NANOGrav "تلميحات أولية" محتملة لخلفية موجة الجاذبية منخفضة التردد

في البيانات التي تم جمعها وتحليلها على مدار 13 عامًا ، وجد مرصد أمريكا الشمالية لموجات الجاذبية (NANOGrav) مركز حدود الفيزياء (PFC) إشارة مثيرة للاهتمام ذات تردد منخفض قد تُعزى إلى موجات الجاذبية.

يقوم باحثو NANOGrav - بما في ذلك عدد من قسم الفيزياء وعلم الفلك بجامعة وست فرجينيا (WVU) ومركز موجات الجاذبية وعلم الكونيات - بقياس أوقات وصول النبضات الراديوية من النجوم الغريبة التي تسمى النجوم النابضة ذات التلسكوبات الراديوية الكبيرة ، بما في ذلك تلسكوب جرين بانك. (GBT) في مقاطعة بوكاهونتاس ، فيرجينيا الغربية. النجوم النابضة هي نجوم صغيرة كثيفة تدور بسرعة وتصدر موجات راديو تبث مثل المنارة. تُظهر نتائج مجموعة البيانات الأحدث هذه اضطرابات في أوقات الوصول من هذه النجوم النابضة والتي قد تشير إلى تأثيرات موجات الجاذبية ، كما ورد مؤخرًا في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية. المصدر الأكثر احتمالا لهذه الموجات الثقالية هو الإشارة المجمعة من جميع أزواج الثقوب السوداء الهائلة الموجودة في قلب المجرات البعيدة المدمجة.

رسم توضيحي تمثيلي للأرض جزءا لا يتجزأ من الفضاء والزمان والتي تشوهت بواسطة موجات الجاذبية الخلفية وتأثيراتها على الإشارات الراديوية القادمة من النجوم النابضة المرصودة. الصورة مجاملة من تونيا كلاين / نانوغراف.

تمكنت NANOGrav من استبعاد بعض التأثيرات بخلاف 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.

يعلق داستن ماديسون ، باحث ما بعد الدكتوراه في WVU ، "لا يمكننا بعد أن نقول بثقة أن ما نراه هو موجات جاذبية ، ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فإن" الإشارة "منطقية جدًا نظرًا لما نعتقد أنه الثقوب السوداء الهائلة. كان هذا دائمًا كيف كان سيحدث هذا. تلميحات مغرية للإشارة قبل أن نتمكن من المطالبة بشكل قاطع بالكشف. نحن على الطريق الصحيح لإجراء هذا التقييم النهائي في غضون عامين فقط ". وبالنظر إلى المستقبل ، يعتقد أن الباحثين سيكونون قادرين بعد ذلك على تمييز الإشارة ومعرفة المزيد منها لسنوات وسنوات قادمة.

موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان ناتجة عن تحركات الأجسام الضخمة بشكل لا يصدق ، مثل الثقوب السوداء التي تدور حول بعضها البعض أو تصادم النجوم النيوترونية. لا يستطيع علماء الفلك مراقبة هذه الموجات باستخدام التلسكوب مثلما 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. تم اكتشاف موجات الجاذبية لأول مرة في عام 2015 بواسطة مرصد مقياس التداخل الليزري لموجات الجاذبية (LIGO) من قبل فريق يضم باحثين آخرين في WVU. مثل الضوء من الأجسام البعيدة ، فإن موجات الجاذبية هي إشارة كونية مرسلة - تحمل إمكانات كبيرة لفهم الأجسام "المظلمة" ، مثل الثقوب السوداء.

اختار NANOGrav دراسة الإشارات من النجوم النابضة لأنها تعمل كساعات مجرة ​​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.

توضح سارة بيرك-سبولور ، أستاذة جامعة WVU وعضوة NANOGrav: "هذه الإشارة مغرية للغاية. من الممكن أن تكون أوركسترانا مضبوطة ، تلميحًا إلى أننا على وشك سماع السمفونية الضخمة للموجات من الثقوب السوداء الهائلة التي نتوقعها تنتشر في الكون ، "يقول بورك سبولور. وتضيف: "إذا كانت هذه الإشارة هي بالفعل موجات جاذبية ، فإن الدراسة المستقبلية ستقدم رؤى فريدة حول كيفية تشكل وتطور أكبر الثقوب السوداء والمجرات في كوننا".

قال بيدرو مارونيتي ، مدير برنامج NSF لفيزياء الجاذبية: "تعمل NANOGrav على أول اكتشاف لموجات الجاذبية منخفضة التردد منذ أكثر 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 ومركز حدود الفيزياء التابع لمؤسسة العلوم الوطنية (PFC). وأضافت مورا ماكلولين ، أستاذة جامعة WVU والمدير 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 أبحاث NANOGrav بشكل كبير. على مدى السنوات الست الماضية ". لعبت WVU دورًا مهمًا في PFC 12 من بين 63 مؤلفًا في هذه الورقة هم أعضاء هيئة التدريس في WVU وما بعد الدكتوراة والطلاب. ويعد اكتشاف الموجات الثقالية منخفضة التردد أحد الأهداف الرئيسية لمركز موجات الجاذبية وعلم الكونيات ، الذي تم تشكيله في عام 2015 جنبًا إلى جنب مع جائزة PFC. كما أشار دنكان لوريمر ، أستاذ WVU وعميد كلية إيبرلي المشارك للأبحاث ، "لقد لعب الدعم المؤسسي طويل الأمد المقدم من الكلية والجامعة دورًا مهمًا في نجاح NANOGrav منذ إنشائها في عام 2007".

ابتكر NANOGrav مصفوفة توقيت النجوم النابضة الخاصة بهم من خلال دراسة 47 من أكثر النجوم النابضة ثباتًا مع كل من GBT ومرصد Arecibo في بورتوريكو كما ورد في ملحق مجلة الفيزياء الفلكية في يناير 2021. 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 لكشف ودراسة 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. تغيرات التوقيت كانت 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.

لتأكيد الاكتشاف المباشر لتوقيع من موجات الجاذبية ، سيتعين على الباحثين في NANOGrav إيجاد نمط مميز في الإشارات بين النجوم النابضة الفردية. في هذه المرحلة ، فإن حساسية التجربة ليست كافية حاليًا بما يكفي لتمييز 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. يعد الطلاب وأعضاء هيئة التدريس في WVU مساهمين مهمين في هذا الجهد ، وفي الواقع ، سافر 24 طالبًا من WVU إلى البلدان الشريكة لـ IPTA لإجراء بحث في الخارج كجزء من البرامج الممولة من NSF بقيادة WVU.

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.

المنشورات المشار إليها في هذه المقالة

لمزيد من المعلومات حول NANOGrav ، يرجى زيارة الموقع على http://nanograv.org.

يتم دعم أبحاث NANOGrav في WVU من خلال جائزة NSF PFC # 1430284 وجائزة NSF OIA # 1458952. مرصد Arecibo هو منشأة تابعة لمؤسسة العلوم الوطنية تعمل بموجب اتفاقية تعاونية (# AST-1744119) من قبل جامعة وسط فلوريدا (UCF) بالتحالف مع Universidad Ana G. Méndez (UAGM) و Yang Enterprises (YEI)، Inc. مرصد جرين بانك هو منشأة تابعة لمؤسسة العلوم الوطنية تعمل بموجب اتفاقية تعاونية من قبل Associated Universities، Inc.


النجوم النابضة وعلم فلك الموجات الثقالية

نحن ندرس بعضًا من أكثر الأشياء تطرفاً وروعة في الكون ، ونحن في طليعة البحث الأسترالي في موجات الجاذبية.

النجوم النابضة تدور حول النجوم الميتة التي استهلكت منذ فترة طويلة كل وقودها النووي وانهارت إلى بقايا فائقة الكثافة. اكتشف علماء الفلك أكثر من 3000 من هذه الأجسام بما في ذلك نجم نابض ثنائي رائع قدم أول دليل تجريبي على انبعاث موجات الجاذبية التي أدت إلى الحصول على جائزة نوبل عام 1993. يمكن استخدام نبضات الإشعاع من الدوران كساعات دقيقة للغاية لقياس الجاذبية القصوى واختبار حدود النسبية العامة.

يمكن أيضًا قياس موجات الجاذبية هنا مباشرة على الأرض ، لأنها تتسبب في ضغط المكان والزمان وتمددهما أثناء مرورهما عبر مقاييس التداخل الأكثر دقة في العالم. منذ أكثر من 100 عام ، توقع ألبرت أينشتاين أن هذه التموجات في الزمكان ستنشأ عن طريق تسريع الكتل والأشياء التي تدور حول بعضها البعض. أدت التطورات الحديثة في حساسية الكاشف إلى أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية في عام 2015.

كان هذا إنجازًا بارزًا في الاكتشافات البشرية ، حيث بشر بميلاد مجال جديد من علم فلك الموجات الثقالية وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2017. تبع ذلك في عام 2017 الملاحظات الأولى لتصادم نجمين نيوترونيين. شوهد الانفجار المصاحب لاحقًا في ملاحظات المتابعة بواسطة التلسكوبات في جميع أنحاء العالم وبشر بعصر جديد من علم الفلك متعدد الرسل.

& quotOzGrav's مهمة للاستفادة منها الاكتشافات التاريخية الأولى لموجات الجاذبية لفهم الفيزياء المتطرفة للثقوب السوداء والزمكان المشوه ، وإلهام الجيل القادم من العلماء والمهندسين من خلال هذه النافذة الجديدة على الكون. & quot

البروفيسور ماثيو بايلز ، مركز الفيزياء الفلكية والحوسبة الفائقة

يعد مركز الفيزياء الفلكية والحوسبة الفائقة (CAS) موطنًا للمقر الرئيسي لمركز التميز ARC لاكتشاف الموجات الثقالية (OzGrav) ، والذي يضم أكثر من 200 عضو حول أستراليا وخارجها ، وهو جزء من التعاون الدولي بين LIGO-Virgo-Kagra . يقود الأستاذ ماثيو بايلز من سوينبورن OzGrav وهو رائد في اكتشاف النجوم النابضة ، حيث قاد العديد من عمليات مسح النجوم النابضة ومصفوفات التوقيت ، بما في ذلك MeerTIME الذي يستخدم قوة تلسكوب MeerKAT الجديد لاستكشاف الفيزياء الأساسية والفيزياء الفلكية عبر توقيت النجم الراديوي.

Swinburne هو أيضًا أحد الأعضاء المؤسسين لمصفوفة Parkes Pulsar Timing Array التي تزيد بانتظام عن 20 من النجوم النابضة بدقة ميكرو ثانية بهدف اكتشاف موجات الجاذبية من ثنائيات الثقوب السوداء فائقة الكتلة في المجرات البعيدة. نقوم أيضًا بتطوير نماذج لانبعاثات موجات الجاذبية من المستعرات الأعظمية والثنائيات التي تنتج مصادر موجات الجاذبية والنجوم النابضة الثنائية.

CAS هي أيضًا شركة رائدة عالميًا في المتابعة الكهرومغناطيسية لموجات الجاذبية وغيرها من المصادر العابرة ، من خلال برنامج Deeper، Wider، Faster بقيادة الأستاذ المساعد جيف كوك. نحن أيضًا موطن لمركز بيانات GW ، وهو أحد أكبر مجموعات الحوسبة العملاقة المخصصة لموجات الجاذبية في العالم ، بقيادة البروفيسور جارود هيرلي.

مشاريعنا

مير تايم

مشروع MeerTime عبارة عن برنامج مدته خمس سنوات على مصفوفة MeerKAT ، بقيادة Swinburne ، والذي سيحدد بانتظام أكثر من 1000 نجم نابض لإجراء اختبارات الجاذبية النسبية ، والبحث عن توقيع موجة الجاذبية التي تحدثها ثنائيات الثقوب السوداء الهائلة في بقايا التوقيت. من النجوم النابضة بالمللي ثانية ، واستكشف الأجزاء الداخلية للنجوم النيوترونية من خلال برنامج مراقبة خلل النجوم النابضة ، واستكشف أصل وتطور النجوم النابضة الثنائية ، وراقب أسراب النجوم النابضة التي تعيش في العناقيد الكروية ، وراقب النجوم المغناطيسية الراديوية.

صفيف توقيت باركس بولسار

Swinburne هو شريك مؤسسي في مشروع Parkes Pulsar Timing Array ، الذي يراقب 24 ميللي ثانية من النجوم النابضة باستخدام تلسكوب باركس الراديوي الأيقوني بطول 64 مترًا بهدف أساسي هو دراسة كون الموجات الثقالية منخفضة التردد.

تكبير الكرات النارية الكونية

عندما تصطدم بقايا نجمية كثيفة ضخمة تسمى النجوم النيوترونية ، تكون النتيجة حطام قطار ناري مشع يمكن رؤيته من على بعد مئات الملايين من السنين الضوئية. يستخدم هذا المشروع التلسكوبات الراديوية المنتشرة عبر الأرض والتي تعمل في انسجام تام للتنقيب في الحطام المتوهج لتحديد طبيعة الاصطدام.

دراسات UTMOST للنجوم FRBs والنجوم النابضة

تلسكوب UTMOST عبارة عن تلسكوب لاسلكي واسع المجال مع خلفية رقمية قوية يتم تشغيلها بشكل مشترك بواسطة Swinburne وتستخدم للعثور على النجوم النابضة الراديوية ودفعات الراديو السريعة ودراستها.


جني صفر

منذ بداية الزمن ، كان البشر يأملون يومًا ما في كشف أسرار الكون. بفضل التمويل البحثي المستمر من National Science Foundation (NSF) وخبرة أشخاص مثل Texas Tech & # 8217s Joseph D. Romano ، أصبحوا الآن أقرب من أي وقت مضى.

يُجري رومانو ، الأستاذ في قسم الفيزياء وعلم الفلك ، بحثًا في تحليل بيانات موجات الجاذبية ، ويتخصص في البحث عن إشارات موجات الجاذبية الضعيفة القادمة من الكون المبكر جدًا. على هذا النحو ، فإن عمله يتناسب تمامًا مع عمل مرصد Nanohertz لأمواج الجاذبية في أمريكا الشمالية (NANOGrav).

أعلنت NSF مؤخرًا أنها جددت دعمها لـ NANOGrav بمنحة قدرها 17 مليون دولار على مدى خمس سنوات لتشغيل NANOGrav Physics Frontiers Centre (PFC). سيعالج NANOGrav PFC تحديًا تحوليًا في الفيزياء الفلكية: اكتشاف وتوصيف موجات الجاذبية منخفضة التردد. المصادر الواعدة لموجات الجاذبية منخفضة التردد هي الثقوب السوداء الثنائية الهائلة التي تتشكل عبر اندماجات المجرات الضخمة. تشمل المصادر الإضافية لموجات الجاذبية منخفضة التردد الأوتار الكونية والتضخم وعمليات الكون المبكرة الأخرى.

يكتشف علماء الفيزياء الفلكية الآن موجات الجاذبية منخفضة التردد باستخدام النجوم النابضة ذات الألف من الثانية - وهي تدور بسرعة وبقايا فائقة الكثافة من النجوم الضخمة التي انفجرت على شكل مستعرات أعظم. These ultra-stable stars are nature’s most precise celestial clocks, appearing to “tick” every time their beamed emissions sweep past the Earth, like the beacon on a lighthouse. Gravitational waves may be detected in the small but perceptible fluctuations – a few dozen nanoseconds over 10 or more years – they cause in the measured arrival times at Earth of radio pulses from these millisecond pulsars.

“The goal is to detect the presence of low-frequency gravitational waves in an effort to better understand how supermassive black holes and galaxies form,” Romano said.

The precision required in these measurements makes Romano’s work especially important. You see, he helps develop the data analysis algorithms that identify the presence of gravitational waves. For his role in the NANOGrav PFC collaboration, Romano will receive $298,366 over the next five years.

When it was founded in 2007, NANOGrav consisted of 17 members in the U.S. and Canada. With support from the NSF in the form of a Partnerships for International Research and Education (PIRE) award in 2010 and a PFC in 2015, NANOGrav has grown tremendously. It is now a truly global collaboration with around 200 students and scientists at about 40 institutions around the world. Over the past few years, NANOGrav PFC students, postdoctoral researchers and senior personnel have pushed the frontiers of multi-messenger astrophysics, achieved an unprecedented sensitivity to low-frequency gravitational waves and enabled a transition into an astrophysically interesting territory: NANOGrav is now poised to detect low-frequency gravitational waves and use them to study the universe in a completely new way.

NANOGrav’s five-year program will make use of the unique capabilities and sensitivity of the Green Bank Telescope (GBT) in Green Bank, West Virginia. 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. The program also uses data from the Very Large Array (VLA) in New Mexico and the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) in Canada. In addition, NANOGrav will use legacy Arecibo Observatory data, which will anchor combined future data sets and greatly increase sensitivity.

“The NANOGrav PFC has made significant progress over the last five years, remaining at the frontier of fundamental physics research,” said Jim Shank, the program director for NSF’s PFC program. “The center now seems close to making a breakthrough discovery in gravitational waves and the way we perceive the universe.”

Xavier Siemens, a physicist at Oregon State University, is the principal investigator (PI) for the project and will serve as co-director of the center. Maura McLaughlin, an astronomer at West Virginia University and co-investigator of the project, will serve as co-director.

NSF currently supports 10 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 U.S. and Canada to search for the telltale signature of gravitational waves buried in the incredibly steady ticking of distant pulsars, the NANOGrav PFC will advance the mission to “foster research at the intellectual frontiers of physics” and to “enable transformational advances in the most promising research areas.”

In addition to his membership in the NANOGrav collaboration, Romano is a member of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Scientific Collaboration and the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) Consortium, both of which are international collaborations of scientists searching for gravitational waves. Romano’s prior research experience involved investigations into the relationship between gravitational physics and quantum mechanics.

Romano was co-chair of the LIGO Scientific Collaboration Stochastic Sources Analysis Group from 2000-2006 and 2018-2020. He is a member of Texas Tech’s STEM Center for Outreach, Research & Education, a member of the American Physical Society and was associate editor of the American Journal of Physics.


The gravitational background

Researchers at the premiere astronomy conference also reported finding the first possible hints of a mysterious new kind of gravitational wave, cosmic ripples that warp the fabric of space and time itself.

Scientists reported the first-ever direct detection of gravitational waves in 2016 using the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), a discovery that earned the 2017 Nobel Prize in Physics. The space-time distortions those researchers saw were created when two black holes collided with each other about 130 million light-years from Earth. Since then, LIGO has observed dozens more such signals.

But the gravitational waves that LIGO are best at detecting are the most powerful ones, loud outbursts released when extraordinarily massive objects collide with one another. Researchers now also want to detect gravitational waves that are more like the background noise of small talk at a crowded party.

In theory, merging galaxies and other cosmic events should generate such a "gravitational wave background." Detecting this steady hum could shed light on mysteries such as how galaxies have grown over time.

However, these waves are huge, posing a major challenge for detecting this gravitational wave background. Whereas existing gravitational-wave observatories on Earth are designed to search for gravitational waves on the order of seconds long, ripples from the gravitational wave background are years or even decades long.

Now researchers say they may have detected a strong signal of the gravitational wave background using a U.S. and Canadian project called the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav).

"We're seeing incredibly significant evidence for this signal," study lead author Joseph Simon, an astrophysicist at the University of Colorado Boulder, said during the AAS press conference. "Unfortunately, we can't quite say what it is yet."

NANOGrav uses telescopes on the ground to monitor dozens of pulsars. Gravitational waves can alter the steady blinking pattern of light from pulsars, squeezing and expanding the distances these rays travel through space.

"As these waves pass us, the Earth gets pushed around very slightly," Simon said. "As Earth is pushed closer to pulsars in one part of the sky, those pulsars' pulses will appear a little bit sooner than expected, and pulses from pulsars in the other part of the sky appear to come a bit later."

Analyzing this pulsar light could therefore help scientists detect signs of the gravitational wave background.

"By monitoring signals from a large number of these pulsars, we created a galaxy-size gravitational-wave detector within our own Milky Way," Simon said.

To find these subtle hints, NANOGrav scientists have attempted to observe as many pulsars as they can for as long as possible. So far, they have observed 45 pulsars for at least three years, and in some cases, for more than a dozen years.

"These pulsars are spinning about as fast as your kitchen blender," Simon said in a statement. "And we're looking at deviations in their timing of just a few hundred nanoseconds."

Now the researchers said they have detected potential evidence of a common process distorting the light from many of the pulsars. As of yet, they cannot verify whether this signal is evidence for the gravitational wave background, "but we also don't have evidence against it," Simon said.

The scientists caution they still need to look at more pulsars and monitor them for longer time periods to confirm whether the gravitational background is the cause.

If the researchers can verify they have detected the gravitational wave background, they next want to pinpoint what causes these waves and what such signals can tell scientists about the universe.

The scientists detailed their findings Jan. 11 at an online meeting of the American Astronomical Society. Chakrabarti and her colleagues detailed النتائج التي توصلوا إليها in a study accepted in the journal Astrophysical Journal Letters. Simon and his colleagues detailed their NANOGrav findings online Dec. 24 in the journal The Astrophysical Journal Letters.


To find giant black holes, start with our solar system’s center

Artist’s concept of an array of pulsars, used in a system to find black holes with billions of times our sun’s mass. The best place to start? One idea is to use the gravitational center of our solar system. Image via David Champion/ Vanderbilt University.

Black holes are places where gravity is so immense that light cannot escape. The spacetime surrounding black holes is warped. In recent decades, astronomers have come to believe that largest black holes – supermassive black holes – reside in the hearts of most galaxies. Each is millions or billions of times the mass of our sun. But many supermassive black holes remain undetected. How can scientists find them? Enter gravitational waves, ripples in spacetime, theorized as far back as Albert Einstein, but observed only since 2015. Astronomers now say we can find supermassive black holes by observing the effect of their gravitational waves on the timing of light flashes from pulsars. While conducting this research, these scientists say they’ve also refined our knowledge of the gravitational center – or barycenter – of our solar system.

The new research comes from Stephen Taylor, assistant professor of physics at Vanderbilt University and the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) collaboration. Taylor explained in a statement:

Using the pulsars we observe across the Milky Way galaxy, we are trying to be like a spider sitting in stillness in the middle of her web. How well we understand the solar system’s barycenter is critical as we attempt to sense even the smallest tingle to the web.

This new technique for finding supermassive black holes was announced on June 30, 2020 by Vanderbilt University.

The peer-reviewed paper detailing their findings was published in مجلة الفيزياء الفلكية last April 21.

Gravitational waves – ripples in space-time – can be generated by pairs of black holes orbiting each other. To find these ripples, Taylor and his colleagues measure the regular flashes of light from pulsars, which are neutron stars that spin extremely fast and blast out beams of light, much like a cosmic lighthouse. The researchers are looking for changes in the arrival rate of these flashes, using NANOGrav data. Like clocks keeping time perfectly, pulsars are known to emit their flashes in a way that’s extremely regular (which is why, when first discovered, it was thought they might be artificial signals from aliens). So slight deviations from the otherwise regular flashing of a pulsar could indicate the passing of gravitational waves.

It turns out that the exact gravitational center – the barycenter – of the solar system is not in the middle of the sun, but rather about 330 feet (100 meters) above the sun’s surface, according to the new study. Image via Tonia Klein/ NANOGrav Physics Frontier Center/ Vanderbilt University.

In the statement from these scientists, Taylor said that understanding the exact location of the barycenter of the solar system helps in the search for gravitational waves from supermassive black holes. What is the barycenter, exactly? Perhaps you know that – as in the Earth-moon system, for example – the moon doesn’t orbit the center of Earth. Instead, both Earth and moon orbit around the barycenter, or common center of gravity in the system. In the Earth-moon system, the center of gravity, or barycenter, is inside Earth, but not at the center of Earth. It’s about 2,902 miles (4,671 km) from Earth’s center, or about 75% of the way from Earth’s center to its surface.

Likewise, the barycenter – or center of mass – in our solar system isn’t in the middle of the sun. It’s near the sun’s surface, about 330 feet (100 meters) above the sun’s surface, according to the new study. These scientists’ statement called this point “the location of absolute stillness in our solar system.”

So understanding the location of the exact gravitational center of the solar system helps scientists measure the very slight but detectable changes in pulsar flashes caused by passing gravitational waves. That location has been estimated before, using data from Doppler tracking. This provides the locations and trajectories of objects as they orbit the sun. But that can lead to errors and inconsistent results, showing evidence of gravitational waves that aren’t really there. Co-author Joe Simon said:

The catch is that errors in the masses and orbits will translate to pulsar-timing artifacts that may well look like gravitational waves.

Graphic depiction of gravitational waves generated by two black holes orbiting each other. Image via LIGO/ T. Pyle/ علم.

Artist’s concept of a peculiar black hole system, in which 2 small black holes are merging in the disk surrounding a 3rd, supermassive black hole. To find the most massive black holes, researchers are measuring the timing of light flashes coming from pulsars, as affected by gravitational waves. Image via Caltech/ R. Hurt (IPAC).

We weren’t detecting anything significant in our gravitational wave searches between solar system models, but we were getting large systematic differences in our calculations. Typically, more data delivers a more precise result, but there was always an offset in our calculations.

So how do the researchers account for the previous errors and inconsistencies, and improve the accuracy of detecting the gravitational waves? They decided to try a different approach, searching for the gravity waves and the exact gravitational center of the solar system at the same time. And it worked. They were even able to specifically pinpoint the center of gravity in the solar system to within 100 meters! The precise gravitational center of the solar system is not in the center of the sun, as might be presumed. It is actually only about 330 feet above the surface of the sun, according to the paper. This discrepancy is due to the affect of the huge mass of the largest planet, Jupiter. Taylor said:

Our precise observation of pulsars scattered across the galaxy has localized ourselves in the cosmos better than we ever could before. By finding gravitational waves this way, in addition to other experiments, we gain a more holistic overview of all different kinds of black holes in the universe.

Stephen Taylor at Vanderbilt University, co-author of the new study. Image via Vanderbilt University.

Just a few days ago, it was reported that, for the first time, astronomers had observed visible light from a black hole merger. In this system, two smaller black holes are merging together within a disk of material surrounding a supermassive black hole 12.8 billion light-years away. Such mergers have been detected before by the gravitational waves they create, but this was the first time that a flare-like visible light phenomenon had also been seen. The light comes from the gaseous disk of material surrounding the larger black hole, not from within the black holes themselves.

NANOGrav will continue to collect additional pulsar timing data, and astronomers are confident that this will lead to the unequivocal discovery of more supermassive black holes.

Bottom line: New study says that the best way to find the most massive black holes is to measure gravitational waves at the precise gravitational center of the solar system.


Astronomers find possible hints of gravitational waves

An international team of astronomers – including 17 Cornellians – report they have found the first faint, low-frequency whispers that may be gravitational waves from gigantic, colliding black holes in distant galaxies.

A group of international astronomers have found the first faint evidence of gravitational waves from merging, supermassive black holes.

The findings were obtained from more than 12.5 years of data collected from the national radio telescopes at Green Bank, West Virginia, and the recently collapsed dish at the Arecibo Observatory, in Arecibo, Puerto Rico.

The research was announced Jan. 11 at a press conference at the American Astronomical Society’s national meeting, held online due to the COVID-19 pandemic. The press conference highlighted the research, “The NANOGrav 12.5-year Data Set: Search for an Isotropic Stochastic Gravitational-wave Background,” published Dec. 24 in The Astrophysical Journal Letters.

The astronomers are all participants in the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) project, which uses pulsars – rapidly spinning dense stars – that act as wave detectors and cosmic timekeepers.

Merging gargantuan black holes create gravitational waves that can send ripples through space-time and affect a pulsar’s timekeeping regularity – ultimately indicating that Earth’s position in the universe may have slightly shifted.

“We must be clear: We are not yet claiming to have detected gravitational waves,” said Shami Chatterjee, Ph.D. ’03, a Cornell principal research scientist in the College of Arts and Sciences’ (A&S) Department of Astronomy. “We have detected a signal that is consistent with the existence of gravitational waves, but we can’t prove that quite yet. We think this is the tip of the iceberg, but we have to actually demonstrate it to our own satisfaction.”

To get a sense of the size of these gravitational waves, recall the wave detection by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in early 2016, when scientists caught two black holes merging.

The merger set off kilohertz waves that were hundreds of kilometers in length, small enough to allow Earth-based detectors to capture them from kilometer-wide, land-based sensors. That finding confirmed a major prediction of Albert Einstein’s 1915 general theory of relativity.

In the NANOGrav case, gigantic black holes are in the process of merging.

“The masses we’re talking about are the giant black holes that are in the centers of galaxies,” said James Cordes, the George Feldstein Professor of Astronomy (A&S). “They are a billion times the mass of the sun. They’re monsters.”

And these monsters are generating nanohertz-scale gravitational quavers that are light-years in length, said Cordes. Thus, astronomers enlist pulsars to help detect these waves.

The paper notes that 47 pulsars were studied to gather this data currently the astronomers are using 80 pulsars. Cordes said the plan is for the project’s astronomers to use about 200 pulsars, once they secure telescope time on other radio telescopes – to replace the time lost at the Arecibo Observatory, which recently collapsed.

In addition to Cordes and Chatterjee, the other Cornellians who work on this project include:

  • Ross Jennings, doctoral candidate
  • H. Thankful Cromartie, NASA Einstein Postdoctoral Fellow
  • Adam Brazier, computational scientist, Cornell Center for Advanced Computing
  • Maura A. McLaughlin, Ph.D. ‘01, professor, West Virginia University, a member of NANOgrav and co-director of the Physics Frontier Center
  • Michael T. Lam, Ph.D. ’16, assistant professor, Rochester Institute of Technology
  • T. Joseph W. Lazio, Ph.D. ’97, chief scientist of the Interplanetary Network Directorate, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology
  • Dustin R. Madison, Ph.D. ’15, postdoctoral fellow, University of West Virginia
  • David L. Kaplan ’98, visiting associate professor, University of Wisconsin, Madison
  • Dan Stinebring M.S. ’78, Ph.D. ’82, emeritus professor of physics, Oberlin College
  • Caitlin A. Witt ’16, Brent J. Shapiro-Albert (former summer student), and Jacob E. Turner (former summer student), doctoral students at the University of West Virginia
  • Duncan Lorimer, professor and associate dean for research, University of West Virginia, former astronomer at the Arecibo Observatory
  • Zaven Arzoumanian, deputy principal investigator and science lead, NASA Goddard Spaceflight Center, former postdoctoral researcher at Cornell and
  • Timothy Dolch, assistant professor, Hillsdale College, former postdoctoral researcher at Cornell.

Cordes and Chatterjee are members of Cornell’s Carl Sagan Institute.

NANOGrav – of which Cornell is a founding member – is joint venture between the National Science Foundation and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada. Both organizations provided funding.


Gravitational wave astronomy of single sources with a pulsar timing array

The stability of radio millisecond pulsars as celestial clocks allows for the possibility to detect and study the properties of gravitational waves (GWs) when the received pulses are timed jointly in a ‘Pulsar Timing Array’ (PTA) experiment. Here, we investigate the potential of detecting the GW from individual binary black hole systems using PTAs and calculate the accuracy for determining the GW properties. This is done in a consistent analysis, which at the same time accounts for the measurement of the pulsar distances via the timing parallax.

We find that, at low redshift, a PTA is able to detect the nano-hertz GW from super-massive black hole binary systems with masses of ∼10 8 –10 10 M less than ∼10 5 yrs before the final merger. Binaries with more than ∼10 3 –10 4 yr before merger are effectively monochromatic GW, and those with less than ∼10 3 –10 4 yr before merger may allow us to detect the evolution of binaries.

For our findings, we derive an analytical expression to describe the accuracy of a pulsar distance measurement via timing parallax. We consider 5 yr of bi-weekly observations at a precision of 15 ns for close-by (∼0.5–1 kpc) pulsars. Timing 20 pulsars would allow us to detect a GW source with an amplitude larger than 5 × 10 −17 . We calculate the corresponding GW and binary orbital parameters and their measurement precision. The accuracy of measuring the binary orbital inclination angle, the sky position and the GW frequency is calculated as functions of the GW amplitude. We note that the ‘pulsar term’, which is commonly regarded as noise, is essential for obtaining an accurate measurement for the GW source location.

We also show that utilizing the information encoded in the GW signal passing the Earth also increases the accuracy of pulsar distance measurements. If the GW is strong enough, one can achieve sub-parsec distance measurements for nearby pulsars with distance less than ∼0.5–1 kpc.


Astronomers find possible hints of gravitational waves

An international team of astronomers – including 17 Cornellians – report they have found the first faint, low-frequency whispers that may be gravitational waves from gigantic, colliding black holes in distant galaxies.

The findings were obtained from more than 12.5 years of data collected from the national radio telescopes at Green Bank, West Virginia, and the recently collapsed dish at the Arecibo Observatory, in Arecibo, Puerto Rico.

The research was announced Jan. 11 at a press conference at the American Astronomical Society’s national meeting, held online due to the COVID-19 pandemic. The press conference highlighted the research, “The NANOGrav 12.5-year Data Set: Search for an Isotropic Stochastic Gravitational-wave Background,” published Dec. 24 in The Astrophysical Journal Letters.

The astronomers are all participants in the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) project, which uses pulsars – rapidly spinning dense stars – that act as wave detectors and cosmic timekeepers.

Merging gargantuan black holes create gravitational waves that can send ripples through space-time and affect a pulsar’s timekeeping regularity – ultimately indicating that Earth’s position in the universe may have slightly shifted.

“We must be clear: We are not yet claiming to have detected gravitational waves,” said Shami Chatterjee, Ph.D. ’03, a Cornell principal research scientist in the College of Arts and Sciences’ (A&S) Department of Astronomy. “We have detected a signal that is consistent with the existence of gravitational waves, but we can’t prove that quite yet. We think this is the tip of the iceberg, but we have to actually demonstrate it to our own satisfaction.”

To get a sense of the size of these gravitational waves, recall the wave detection by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in early 2016, when scientists caught two black holes merging.

The merger set off kilohertz waves that were hundreds of kilometers in length, small enough to allow Earth-based detectors to capture them from kilometer-wide, land-based sensors. That finding confirmed a major prediction of Albert Einstein’s 1915 general theory of relativity.

In the NANOGrav case, gigantic black holes are in the process of merging.

“The masses we’re talking about are the giant black holes that are in the centers of galaxies,” said James Cordes, the George Feldstein Professor of Astronomy (A&S). “They are a billion times the mass of the sun. They’re monsters.”

And these monsters are generating nanohertz-scale gravitational quavers that are light-years in length, said Cordes. Thus, astronomers enlist pulsars to help detect these waves.

The paper notes that 47 pulsars were studied to gather this data currently the astronomers are using 80 pulsars. Cordes said the plan is for the project’s astronomers to use about 200 pulsars, once they secure telescope time on other radio telescopes – to replace the time lost at the Arecibo Observatory, which recently collapsed.

In addition to Cordes and Chatterjee, the other Cornellians who work on this project include:

  • Ross Jennings, doctoral candidate
  • H. Thankful Cromartie, NASA Einstein Postdoctoral Fellow
  • Adam Brazier, computational scientist, Cornell Center for Advanced Computing
  • Maura A. McLaughlin, Ph.D. ‘01, professor, West Virginia University, a member of NANOgrav and co-director of the Physics Frontier Center
  • Michael T. Lam, Ph.D. ’16, assistant professor, Rochester Institute of Technology
  • T. Joseph W. Lazio, Ph.D. ’97, chief scientist of the Interplanetary Network Directorate, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology
  • Dustin R. Madison, Ph.D. ’15, postdoctoral fellow, University of West Virginia
  • David L. Kaplan ’98, visiting associate professor, University of Wisconsin, Madison
  • Dan Stinebring M.S. ’78, Ph.D. ’82, emeritus professor of physics, Oberlin College
  • Caitlin A. Witt ’16, Brent J. Shapiro-Albert (former summer student), and Jacob E. Turner (former summer student), doctoral students at the University of West Virginia
  • Duncan Lorimer, professor and associate dean for research, University of West Virginia, former astronomer at the Arecibo Observatory
  • Zaven Arzoumanian, deputy principal investigator and science lead, NASA Goddard Spaceflight Center, former postdoctoral researcher at Cornell and
  • Timothy Dolch, assistant professor, Hillsdale College, former postdoctoral researcher at Cornell.

Cordes and Chatterjee are members of Cornell’s Carl Sagan Institute.

NANOGrav – of which Cornell is a founding member – is joint venture between the National Science Foundation and the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada. Both organizations provided funding.


شاهد الفيديو: Nuwe Makliker Metode Om Kwadratiese Vergelykings Op Te Los deur Po-Shen Loh (شهر نوفمبر 2021).