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

موج گرانشی به طور مستقیم برای اولین بار در سال 2015 پس از یک قرن پیش بینی آن توسط نظریه نسبیت عام اینشتین در سال 1916 شناسایی شد. اما فرکانس پیوسته و کم گرانشیپس زمینه موج (GWB) که تصور می شود در سرتاسر آن وجود داشته باشد جهان تاکنون به طور مستقیم شناسایی نشده است. محققان رصدخانه نانوهرتز آمریکای شمالی برای امواج گرانشی (NANOGrav) اخیراً تشخیص سیگنالی با فرکانس پایین را گزارش کرده اند که می تواند «پس زمینه موج گرانشی (GWB)» باشد.   

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 که از طریق جهان. زمین باید غرق شود امواج گرانشی همیشه از همه جهات، اما اینها شناسایی نمی شوند، زیرا با رسیدن به زمین بسیار ضعیف می شوند. شناسایی مستقیم امواج گرانشی حدود یک قرن طول کشید، زمانی که در سال 2015 تیم LIGO-Virgo موفق به شناسایی شد. امواج گرانشی تولید شده به دلیل ادغام دو سیاه چاله ها در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری از زمین قرار دارد ⁽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 تا به امروز ثبت شده اند. بیشتر آنها به دلیل ادغام دو مورد بود سیاه چاله ها، تعداد کمی از آنها به دلیل برخورد دو ستاره نوترونی بود ⁽²⁾. همه شناسایی شدند امواج گرانشی تا کنون اپیزودیک بوده اند که به دلیل جفت باینری ایجاد شده است سیاه چاله ها یا ستاره های نوترونی در حال ادغام و یا برخورد مارپیچی با یکدیگر ⁽³⁾ و دارای فرکانس بالا و طول موج کوتاه (در محدوده میلی ثانیه) بودند.   

با این حال، از آنجایی که امکان وجود تعداد زیادی از منابع وجود دارد امواج گرانشی در جهان از این رو بسیاری امواج گرانشی با هم از سراسر جهان ممکن است دائماً در حال عبور از زمین باشد و پس‌زمینه یا نویز را تشکیل دهد. این باید پیوسته، تصادفی و با فرکانس پایین موج کوچک باشد. تخمین زده می شود که بخشی از آن حتی ممکن است از بیگ بنگ سرچشمه گرفته باشد. تماس گرفت گرانشی-wave Background (GWB)، این تا کنون شناسایی نشده است ⁽³⁾.  

اما ممکن است ما در آستانه یک پیشرفت باشیم - محققان رصدخانه نانوهرتز آمریکای شمالی برای امواج گرانشی (NANOGrav) تشخیص سیگنالی با فرکانس پایین را گزارش کرده اند که می تواند پس زمینه موج گرانشی (GWB) باشد. ^(4,5,6).  

برخلاف تیم LIGO-virgo که شناسایی کردند موج گرانشی از جفت های فردی از سیاه چاله ها، تیم NANOGrav به دنبال دائمی، نویز، "ترکیب" بوده است. موج گرانشی ایجاد شده در مدت زمان بسیار طولانی توسط تعداد بی شماری سیاهچاله ها در جهان. تمرکز روی "طول موج بسیار طولانی" بود موج گرانشی در انتهای دیگر "طیف موج گرانشی".

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

تیم NANOGrav انتخاب کرد میلی ثانیه تپ اخترها (MSP) که با ثبات طولانی مدت بسیار سریع می چرخند. الگوی ثابتی از نور وجود دارد که از این پالسرها می آید که باید توسط موج گرانشی تغییر یابد. ایده این بود که مجموعه‌ای از تپ‌اخترهای فوق‌پایدار میلی‌ثانیه‌ای (MSP) را برای تغییرات مرتبط در زمان رسیدن سیگنال‌ها به زمین مشاهده و نظارت کنیم و در نتیجه یک «تپ‌اخترهای فوق‌پایدار میلی‌ثانیه‌ای» ایجاد کنیم.کهکشانآشکارساز موج گرانشی در اندازه خودمان کهکشان. این تیم با مطالعه 47 مورد از این تپ اخترها، یک آرایه زمان بندی تپ اختر ایجاد کرد. رصدخانه آرسیبو و تلسکوپ گرین بانک بودند رادیو تلسکوپ های مورد استفاده برای اندازه گیری   

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.  

برای مطالعه جهاندانشمندان منحصراً به تشعشعات الکترومغناطیسی مانند نور، اشعه ایکس و رادیو موج و غیره. به دلیل عدم ارتباط کامل با تابش الکترومغناطیسی، تشخیص گرانش در سال 2015 دریچه جدیدی از فرصت را برای دانشمندان برای مطالعه اجرام آسمانی و درک جهان به ویژه آن رویدادهای آسمانی که برای ستاره شناسان الکترومغناطیسی نامرئی هستند. علاوه بر این، برخلاف تابش الکترومغناطیسی، امواج گرانشی با ماده برهمکنش ندارند، بنابراین عملاً بدون مانع حرکت می‌کنند و اطلاعات مربوط به مبدا و منبع خود را بدون هرگونه اعوجاج حمل می‌کنند.⁽³⁾

تشخیص پس‌زمینه موج گرانشی (GWB) این فرصت را بیشتر می‌کند. حتی ممکن است بتوان امواج تولید شده از بیگ بنگ را که ممکن است به ما در درک منشأ آن کمک کند، ممکن کند جهان به روشی بهتر

***

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  

***