با استفاده از بزرگترین آشکارساز امواج گرانشی که تا کنون ساخته شده است، گزارش‌های قبلی مبنی بر اینکه بافت کیهان دائماً در حال ارتعاش است را تأیید کردیم. این غرش پس‌زمینه احتمالاً ناشی از برخورد بین سیاهچالههای پرجرم موجود در قلب کهکشان‌هاست.
نتایج آشکارساز ما – خوشه ای از ستاره های نوترونی سریع در حال چرخش که در سراسر کهکشان پراکنده شده اند – نشان می دهد که این “پس زمینه موج گرانشی” ممکن است قوی تر از آنچه قبلا تصور می شد باشد. ما همچنین دقیق‌ترین نقشه‌های امواج گرانشی در آسمان را تا به امروز تهیه کردیم و یک “نقطه داغ” جالب فعالیت در نیمکره جنوبی کشف کردیم.
پژوهش ما امروز در سه مقاله منتشر شده است اعلامیه های ماهانه انجمن سلطنتی نجوم.
امواج در فضا و زمان
امواج گرانشی موج هایی در تار و پود فضا و زمان هستند. آنها زمانی ایجاد می شوند که اجسام فوق العاده چگال و عظیم به دور یکدیگر می چرخند یا با یکدیگر برخورد می کنند.
متراکم ترین و پرجرم ترین اجرام در جهان سیاهچاله ها هستند، بقایای ستارگان مرده. یکی از تنها راه های مطالعه سیاهچاله ها جستجوی امواج گرانشی است که هنگام نزدیک شدن به یکدیگر از خود ساطع می کنند.
درست مانند نور، امواج گرانشی در یک طیف ساطع می شوند. پرجرم ترین سیاهچاله ها کندترین و قوی ترین امواج را ساطع می کنند – اما برای مطالعه آنها به یک آشکارساز به اندازه کهکشان خود نیاز داریم.
امواج گرانشی با فرکانس بالا که در اثر برخورد بین سیاهچالههای نسبتاً کوچک ایجاد می‌شوند، می‌توانند با آشکارسازهای زمینی شناسایی شوند و اولین بار در سال 2015 مشاهده شدند. با این حال، شواهدی مبنی بر وجود امواج کندتر و قدرتمندتر تا سال گذشته کشف نشد.
چندین گروه از ستاره شناسان در سراسر جهان با مشاهده دقیق رفتار گروه هایی از انواع خاصی از ستارگان، آشکارسازهای امواج گرانشی در مقیاس کهکشانی را جمع آوری کرده اند. آزمایش ما، MeerKAT Pulsar Timeming Array، بزرگترین آشکارساز در مقیاس کهکشانی است.
امروز ما شواهد بیشتری را برای امواج گرانشی با فرکانس پایین اعلام کردیم، اما با برخی تفاوت‌های جالب از نتایج قبلی. فقط در یک سوم زمان آزمایش‌های دیگر، سیگنالی پیدا کردیم که به جهانی فعال‌تر از حد انتظار اشاره می‌کرد.
ما همچنین توانستیم نقشه معماری کیهانی را که از ادغام کهکشان ها به جا مانده است را دقیق تر از همیشه ترسیم کنیم.
سیاهچاله ها، کهکشان ها و تپ اخترها
دانشمندان بر این باورند که در مرکز اکثر کهکشان ها، یک جرم بزرگ به نام سیاهچاله بسیار پرجرم زندگی می کند. با وجود جرم عظیم آنها – میلیاردها برابر جرم خورشید ما – مطالعه این غول های کیهانی دشوار است.
اخترشناسان دهه‌هاست که درباره سیاهچالههای بسیار پرجرم می‌شناختند، اما برای اولین بار در سال ۲۰۱۹ فقط مستقیماً یکی را رصد کردند.
هنگامی که دو کهکشان با هم ادغام می شوند، سیاهچاله های مرکز آنها شروع به حرکت مارپیچی به سمت یکدیگر می کنند. در این فرآیند، آنها امواج گرانشی آهسته و قدرتمندی را ارسال می کنند که به ما امکان می دهد آنها را مطالعه کنیم.
ما این کار را با استفاده از گروه دیگری از اجرام فضایی عجیب و غریب انجام می دهیم: تپ اخترها. اینها ستارگان بسیار چگالی هستند که عمدتاً از نوترون ساخته شده اند که ممکن است به اندازه یک شهر باشند اما دو برابر خورشید جرم دارند.
تپ اخترها صدها بار در ثانیه می چرخند. همانطور که آنها می چرخند، مانند فانوس دریایی عمل می کنند و با پالس های تشعشعی به طول هزاران سال نوری به زمین برخورد می کنند. برای برخی از تپ اخترها، ما می توانیم پیش بینی کنیم که چه زمانی آن پالس باید در عرض نانوثانیه به ما برخورد کند.
آشکارسازهای امواج گرانشی ما از این واقعیت بهره می برند. اگر تپ اخترهای زیادی را در یک بازه زمانی مشابه مشاهده کنیم، و در مورد زمانی که پالس ها به روشی بسیار خاص به ما برخورد می کنند، اشتباه می کنیم، می دانیم که یک موج گرانشی فضای بین زمین و تپ اخترها را کشیده یا منقبض می کند.
با این حال، به جای دیدن تنها یک موج، انتظار داریم اقیانوس کیهانی پر از امواج را ببینیم که از همه جهات عبور می کنند – امواج پژواک همه ادغام های کهکشانی در تاریخ جهان. ما این را پس زمینه موج گرانشی می نامیم.
یک سیگنال شگفت آور قوی – و یک “نقطه داغ” جذاب
برای تشخیص پس‌زمینه موج گرانشی، از تلسکوپ رادیویی MeerKAT در آفریقای جنوبی استفاده کردیم. MeerKAT یکی از حساس ترین تلسکوپ های رادیویی در جهان است.
به عنوان بخشی از آرایه زمان بندی MeerKAT Pulsar، گروهی متشکل از 83 تپ اختر را برای حدود پنج سال زیر نظر داشت و دقیقاً زمان رسیدن پالس های آنها به زمین را اندازه گیری کرد. این امر ما را به کشف الگویی مرتبط با پس‌زمینه موج گرانشی سوق داد که تنها کمی متفاوت از آنچه آزمایش‌های دیگر یافته‌اند.
این مدل که نشان می دهد چگونه فضا و زمان بین زمین و تپ اخترها توسط امواج گرانشی عبوری بین آنها تغییر می کند، قدرتمندتر از حد انتظار است.
این می تواند به این معنی باشد که سیاهچاله های بسیار پرجرم بیشتری از آن چیزی که فکر می کردیم به دور یکدیگر می چرخند. اگر چنین است، سؤالات بیشتری ایجاد می کند – زیرا نظریه های موجود ما نشان می دهد که سیاهچاله های کلان پرجرم باید کمتر از آنچه به نظر می رسد وجود داشته باشد.
اندازه آشکارساز ما و حساسیت تلسکوپ MeerKAT به این معنی است که می توانیم پس زمینه را با دقت بسیار بالایی تخمین بزنیم. این به ما اجازه داد تا دقیق ترین نقشه های پس زمینه امواج گرانشی را تا به امروز ایجاد کنیم. تهیه نقشه پس زمینه به این روش برای درک معماری کیهانی جهان ما ضروری است.
حتی ممکن است ما را به منبع نهایی سیگنال های امواج گرانشی که مشاهده می کنیم هدایت کند. در حالی که ما فکر می‌کنیم پس‌زمینه احتمالاً از برهم‌کنش‌های این سیاهچالههای عظیم نشأت می‌گیرد، همچنین می‌تواند از تغییرات در جهان اولیه و پرانرژی پس از انفجار بزرگ – یا شاید حتی رویدادهای عجیب‌تر – ناشی شود.
نقشه هایی که ما ایجاد کردیم، یک نقطه داغ جالب از فعالیت امواج گرانشی در آسمان نیمکره جنوبی را نشان می دهد. این نوع بی‌نظمی از ایده پس‌زمینه ایجاد شده توسط سیاهچالههای کلان‌جرم پشتیبانی می‌کند تا جایگزین‌های دیگر.
با این حال، ایجاد یک آشکارساز به اندازه کهکشانی بسیار پیچیده است و هنوز زود است که بگوییم این واقعی است یا یک ناهنجاری آماری.
برای تأیید یافته‌های خود، ما در تلاش هستیم تا داده‌های جدید خود را با نتایج سایر همکاری‌های بین‌المللی تحت عنوان آرایه زمان‌بندی بین‌المللی تپ‌اختر ترکیب کنیم.
متیو مایلزدانشجوی فوق دکتری اخترفیزیک، دانشگاه صنعتی سوئینبرن و رونا ناتان، اخترفیزیکدان، دانشگاه موناش
این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.
