Nauja gravitacinių bangų teikiama užuomina: nepaaiškinamos erdvėlaikio fluktuacijos

Tarptautinė mokslininkų komanda priartėjo prie Visatą užpildančių silpnų erdvėlaikio raibulių aptikimo

Milijardus kartų už Saulę masyvesnių juodųjų bedugnių poros gali suktis viena apie kitą, sukeldamos pačios erdvės raibulius.

Šiaurės Amerikos gravitacinių bangų stebėjimo nanohercų observatorijos (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves – NANOGrav) daugiau nei dešimtmetį antžeminiais radioteleskopais ieškojo šių gigantiškų JB sukeltų erdvėlaikio raibulių įrodymų.

Šią savaitę projektas pranešė aptikęs signalą, kuris galėtų būti priskirtas šioms gravitacinėms bangoms, nors nariai nėra galutinai pasirengę pranešti apie sėkmę.

Gravitacinių bangų egzistavimą pagrindžiančią teoriją pirmasis paskelbė Albertas Einšteinas dar 1916 metais, bet jas užfiksuoti tiesiogiai pavyko tik praėjus beveik šimtui metų.

Einšteinas parodė, kad erdvė nėra standus visatos karkasas, o neatsiejamai su laiku susijęs lankstus audinys, kurį iškreipia masę turintys objektai.

2015 metais JAV įrengtos Lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorijos (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory – LIGO) ir Europoje įrengto Virgo interferometro sandarbis paskelbė pirmąjį gravitacinių bangų aptikimą: jos sklido nuo dviejų viena apie kitą besisukančios ir galiausiai susiliejusios maždaug 30 kartų masyvesnės už Saulę juodosios bedugnės.

2021 metų sausio Astrophysical Journal Supplements publikuotame straipsnyje NANOGrav projektas skelbia aptikęs nepaaiškintas fluktuacijas, atitinkančias gravitacines bangas, skleidžiamas 47 pulsarų visame dangaus skliaute ir išmatuotų per 12½ metų.

Pulsarai yra po supernovos sprogimo likęs tankios materijos branduolys. Stebint juos iš Žemės, pulsarai atrodo mirksintys. Iš tiesų spinduliavimą nuolat skleidžia du srautai, sklindantys iš priešingų besisukančio pulsaro pusių. Jei gravitacinės bangos praeina tarp pulsaro ir Žemės, subtilus erdvėlaikio ištempimas ir suspaudimas turėtų veikti šiaip jau labai reguliarų blyksnių laiką. Bet šis efektas yra silpnas, o pulsaro sukimosi tempą dar veikia daugiau nei tuzinas kitų faktorių. Pagrindinis NANOGrav darbas yra atmesti iš kiekvieno pulsaro sukimosi tempo pokyčių tuos faktorius, ir tik tada ieškoti gravitacinių bangų.

LIGO ir Virgo aptinka individualių juodųjų bedugnių ar neutroninių žvaigždžių skleidžiamas gravitacines bangas. Tuo tarpu NANOGrav ieško nuolatinio gravitacinių bangų „fono“, ar triukšmą primenančią bangų, sukurtų per milijardus metų po Visatą išsibarsčiusių nesuskaičiuojamų supermasyvių juodųjų bedugnių porų, besisukančių viena apie kitą, bangų kombinaciją.

Šie objektai kuria daug didesnio ilgio gravitacines bangas už tas, kurias aptiko LIGO ir Virgo – tokias ilgas, kad per stacionarų detektorių jos gali truktu ne vienerius metus. Tad, LIGO ir Virgo gali aptikti tūkstančius bangų per sekundę, o NANOGrav reikia metus trunkančių stebėjimų.

Kad ir koks viliojamas naujausias atradimas, NANOGrav komanda nėra pasirengusi tvirtinti atradusi gravitacinių bangų foną. Iš kur tokios dvejonės?

Kad patvirtintų tiesioginį būdingų gravitacinių bangų aptikimą, NANOGrav tyrėjai tarp individualių pulsarų signalų turės surasti būdingą struktūrą. Remiantis Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija, gravitacinių bangų fonas turėtų šiek tiek skirtingai paveikti pulsarų sukimosi tempą, priklausomai nuo jų padėties vienas kito atžvilgiu.

Kol kas signalas pernelyg silpnas, kad šį būtų galima išskirti. Kad signalas būtų stipresnis, NANOGrav reikės išplėsti savo duomenų rinkinį, kad jame būtų daugiau ir netgi dar ilgiau tirtų pulsarų, dėl ko padidės masyvo jautrumas. NANOGrav taip pat savo duomenis sujungia su kitais pulsarų sukimosi tempo matavimo eksperimentais drauge su Tarptautiniu pulsarų tempo masyvu (International Pulsar Timing Array), didžiausius pasaulyje radioteleskopus naudojančiu tyrėjų sandarbiu.

„Gravitacinių bangų aptikimas pulsarų sukimosi tempo masyvu reikalauja kantrybės,“ pažymi Scott Ransom iš Nacionalinės radioastronomijos observatorijos (National Radio Astronomy Observatory), vadovaujantis NANOGrav. „Dabar analizuojame daugiau nei dvylikos metų duomenis, bet kad aptikimas būtų užtikrintas, tikriausiai reikės užtrukti dar porą. Puiku, kad naujieji duomenys yra tiksliai tokie, kokių būtų galima tikėtis, artinantis prie aptikimo.“

Jet Propulsion Laboratory
scitechdaily.com

Nuoroda: „The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Observations and Narrowband Timing of 47 Millisecond Pulsars“ by Md F. Alam, Zaven Arzoumanian, Paul T. Baker, Harsha Blumer, Keith E. Bohler, Adam Brazier, Paul R. Brook, Sarah Burke-Spolaor, Keeisi Caballero, Richard S. Camuccio, Rachel L. Chamberlain, Shami Chatterjee, James M. Cordes, Neil J. Cornish, Fronefield Crawford, H. Thankful Cromartie, Megan E. DeCesar, Paul B. Demorest, Timothy Dolch, Justin A. Ellis, Robert D. Ferdman, Elizabeth C. Ferrara, William Fiore, Emmanuel Fonseca, Yhamil Garcia, Nathan Garver-Daniels, Peter A. Gentile, Deborah C. Good, Jordan A. Gusdorff, Daniel Halmrast, Jeffrey S. Hazboun, Kristina Islo, Ross J. Jennings, Cody Jessup, Megan L. Jones, Andrew R. Kaiser, David L. Kaplan, Luke Zoltan Kelley, Joey Shapiro Key, Michael T. Lam, T. Joseph W. Lazio, Duncan R. Lorimer, Jing Luo, Ryan S. Lynch, Dustin R. Madison, Kaleb Maraccini, Maura A. McLaughlin, Chiara M. F. Mingarelli, Cherry Ng, Benjamin M. X. Nguyen, David J. Nice, Timothy T. Pennucci, Nihan S. Pol, Joshua Ramette, Scott M. Ransom, Paul S. Ray, Brent J. Shapiro-Albert, Xavier Siemens, Joseph Simon, Renée Spiewak, Ingrid H. Stairs, Daniel R. Stinebring, Kevin Stovall, Joseph K. Swiggum, Stephen R. Taylor, Michael Tripepi, Michele Vallisneri, Sarah J. Vigeland, Caitlin A. Witt and Weiwei Zhu (The NANOGrav Collaboration), 21 December 2020, Astrophysical Journal Supplement Series.
DOI: 10.3847/1538-4365/abc6a0