پس زمینه موج گرانشی (GWB): پیشرفتی در تشخیص مستقیم

موج گرانشی was directly detected for the first time in 2015 after a century of its prediction by Einstein’s General Theory of Relativity in 1916. But, the continuous, low frequency گرانشی-wave Background (GWB) that is thought to be present throughout the جهان has not been detected directly so far. The researchers at North American Nanohertz Observatory for امواج گرانشی (NANOGrav) have recently reported detection of a low-frequency signal that could be ‘Gravitational-wave Background (GWB)’.   

نظریه نسبیت عام که توسط انیشتین در سال 1916 ارائه شد، پیش بینی می کند که رویدادهای کیهانی بزرگ مانند ابرنواختر یا ادغام سیاه چاله ها باید تولید کند امواج گرانشی that propagate through the جهان. Earth should be awash with امواج گرانشی from all directions all the time but these are undetected because they become extremely weak by the time they reach earth. It took about a century to make a direct detection of gravitational ripples when in 2015 LIGO-Virgo team was successful in detecting امواج گرانشی produced due to merger of two سیاه چاله ها situated at a distance of 1.3 billion light-years from the Earth ⁽¹⁾. این همچنین بدان معنی است که امواج کشف شده حامل اطلاعاتی در مورد رویداد کیهانی هستند که حدود 1.3 میلیارد سال پیش رخ داده است.  

از اولین شناسایی در سال 2015، تعداد خوبی از امواج گرانشی have been recorded till date. Most of them were due to merger of two سیاه چاله ها, few were due to collision of two neutron stars ⁽²⁾. All detected امواج گرانشی so far were episodic, caused due to binary pair of سیاه چاله ها or neutron stars spiralling and merging or colliding with each other ⁽³⁾ و دارای فرکانس بالا و طول موج کوتاه (در محدوده میلی ثانیه) بودند.   

However, since there is possibility of large number of sources of امواج گرانشی در جهان hence many امواج گرانشی together from all over the جهان may be continuously passing through the earth all the time forming a background or noise. This should be continuous, random and of low frequency small wave. It is estimated that some part of it may even have originated from the Big Bang. Called گرانشی-wave Background (GWB), this has not been detected so far ⁽³⁾.  

But we may be on the verge of a breakthrough – the researchers at the North American Nanohertz Observatory for امواج گرانشی (NANOGrav) have reported detection of a low-frequency signal that could be ‘Gravitational-wave Background (GWB) ^(4,5,6).  

Unlike LIGO-virgo team who detected موج گرانشی from individual pairs of سیاه چاله ها, NANOGrav team have looked for persistent, noise like, ‘combined’ موج گرانشی created over very long period of time by countless blackholes در جهان. The focus was on ‘very long wavelength’ موج گرانشی at the other end of ‘gravitational wave spectrum’.

برخلاف نور و سایر تشعشعات الکترومغناطیسی، امواج گرانشی را نمی توان مستقیماً با تلسکوپ مشاهده کرد.  

تیم NANOGrav انتخاب کرد میلی ثانیه pulsars (MSPs) that rotate very rapidly with long term stability. There is steady pattern of light coming from these pulsers which should be altered by the gravitational wave. The idea was to observe and monitor an ensemble of ultra-stable millisecond pulsars (MSP) for correlated changes in the timing of the arrival of the signals at the Earth thus creating a “کهکشان-sized” gravitational-wave detector within our own کهکشان. The team created a pulsar timing array by studying 47 of such pulsars. The Arecibo Observatory and the Green Bank Telescope were the رادیو telescopes used for the measurements.   

مجموعه داده های به دست آمده تا کنون شامل 47 MSP و بیش از 12.5 سال مشاهدات است. بر این اساس، نمی توان به طور قطعی تشخیص مستقیم GWB را اثبات کرد، اگرچه سیگنال های فرکانس پایین شناسایی شده بسیار نشان می دهد. شاید قدم بعدی گنجاندن تپ اخترهای بیشتری در آرایه و مطالعه آنها برای مدت زمان طولانی تر برای افزایش حساسیت باشد.  

To study the جهان, scientists were exclusively dependant on electromagnetic radiations like light, X-ray, رادیو wave etc. Being completely unrelated to electromagnetic radiation, detection of gravitational in 2015 opened a new window of opportunity to scientists to study celestial bodies and understanding the جهان especially those celestial events which are invisible to electromagnetic astronomers. Further, unlike electromagnetic radiation, gravitational waves do not interact with matter hence travel virtually unimpeded carrying information about their origin and source free of any distortion.⁽³⁾

Detection of Gravitational-wave Background (GWB) would broaden the opportunity further. It may even become possible to detect the waves generated from Big Bang which may help us understand origin of جهان in a better way.

***

منابع:  

1. Castelvecchi D. and Witze A.، 2016. بالاخره امواج گرانشی اینشتین پیدا شد. Nature News 11 فوریه 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D.، 2020. آنچه 50 رویداد موج گرانشی در مورد جهان نشان می دهد. Nature News منتشر شده در 30 اکتبر 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. منابع و انواع امواج گرانشی. در دسترس آنلاین در https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources مشاهده شده در 12 ژانویه 2021. 

4. NANOGrav Collaboration، 2021. NANOGrav «نخستین نکات» احتمالی پس‌زمینه امواج گرانشی فرکانس پایین را پیدا می‌کند. در دسترس آنلاین در http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html مشاهده شده در 12 ژانویه 2021 

5. همکاری NANOGrav 2021. کنفرانس مطبوعاتی - جستجوی پس‌زمینه موج گرانشی در 12.5 سال داده‌های NANOGrav. 11 ژانویه 2021. در دسترس آنلاین در http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z.، و همکاران 2020. مجموعه داده 12.5 ساله NANOGrav: جستجو برای پس زمینه موج گرانشی تصادفی ایزوتروپیک. The Astrophysical Journal Letters, Volume 905, Number 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***