Observatorium ter grootte van een melkwegstelsel ziet mogelijke hints van zwaartekrachtgolven

[univers]

Artist’s impression van twee om elkaar draaiende superzware zwarte gaten, die gravitatiegolven genereren. (Swinburne Astronomy Productions)

Wetenschappers hebben een ruimteobservatorium ter grootte van een sterrenstelsel gebruikt om mogelijke hints te vinden van een uniek signaal van zwaartekrachtgolven, of de krachtige rimpelingen die door het universum stromen en het weefsel van ruimte en tijd zelf vervormen.

De nieuwe bevindingen, die onlangs verschenen in The Astrophysical Journal Letters , zijn afkomstig van een Amerikaans en Canadees project genaamd het North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav).

Al meer dan 13 jaar bestuderen NANOGrav-onderzoekers het licht dat afkomstig is van tientallen pulsars die verspreid zijn over het Melkwegstelsel, om te proberen een ‘zwaartekrachtgolfachtergrond’ te detecteren. Dat is wat wetenschappers de gestage flux van gravitatiestraling noemen die, volgens de theorie, constant over de aarde spoelt. Het team heeft dat doel nog niet vastgesteld, maar het komt dichterbij dan ooit tevoren, zei Joseph Simon, een astrofysicus aan de University of Colorado in Boulder en hoofdauteur van het nieuwe artikel.

"We hebben een sterk signaal gevonden in onze dataset", zegt Simon, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Astrofysische en Planetaire Wetenschappen . "Maar we kunnen nog niet zeggen dat dit de achtergrond van de zwaartekrachtgolf is."

In 2017 wonnen wetenschappers van een experiment genaamd de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) de Nobelprijs voor de natuurkunde voor de allereerste directe detectie van zwaartekrachtgolven. Die golven ontstonden toen twee zwarte gaten tegen elkaar sloegen op ongeveer 130 miljoen lichtjaar van de aarde, en een kosmische schok opwekten die zich uitbreidde naar ons eigen zonnestelsel.

Die gebeurtenis was het equivalent van een cimbaalcrash - een gewelddadige en kortstondige explosie. De zwaartekrachtgolven waarnaar Simon en zijn collega's op zoek zijn, lijken daarentegen meer op het gestage zoemen van een gesprek op een overvolle cocktailparty.

Het detecteren van dat achtergrondgeluid zou een belangrijke wetenschappelijke prestatie zijn en een nieuw venster openen voor de werking van het universum, voegde hij eraan toe. Deze golven zouden wetenschappers bijvoorbeeld nieuwe instrumenten kunnen geven om te bestuderen hoe de superzware zwarte gaten in de centra van veel sterrenstelsels in de loop van de tijd samenvloeien.

"Deze verleidelijke eerste hints van een zwaartekrachtgolfachtergrond suggereren dat superzware zwarte gaten waarschijnlijk samenvloeien en dat we dobberen in een zee van zwaartekrachtgolven die kabbelt van superzware zwart gatfusies in sterrenstelsels in het universum", aldus Julie Comerford, universitair hoofddocent astrofysische en planetaire wetenschap bij CU Boulder en NANOGrav-teamlid.

Simon zal de resultaten van zijn team maandag presenteren tijdens een virtuele persconferentie op de 237e bijeenkomst van de American Astronomical Society .


Grafische weergave van pulsarlicht dat naar de aarde reist te midden van een zee van zwaartekrachtgolven. (Krediet: NANOGrav / T. Klein)

Galactische vuurtorens
Door hun werk aan NANOGrav maken Simon en Comerford deel uit van een hoge, zij het op samenwerking gerichte, internationale race om de zwaartekrachtgolfachtergrond te vinden. Hun project voegt zich bij twee anderen uit Europa en Australië om een ​​netwerk op te richten genaamd de International Pulsar Timing Array .

Simon zei dat, althans volgens de theorie, samensmeltende sterrenstelsels en andere kosmologische gebeurtenissen een gestage golf van zwaartekrachtgolven veroorzaken. Ze zijn gigantisch - een enkele golf, zei Simon, kan jaren of zelfs langer duren om de aarde voorbij te gaan. Om die reden kunnen geen andere bestaande experimenten ze direct detecteren.

'Andere observatoria zoeken naar zwaartekrachtsgolven in de orde van seconden,' zei Simon. "We zijn op zoek naar golven in de orde van jaren of decennia."

Hij en zijn collega's moesten creatief worden. Het NANOGrav-team gebruikt telescopen op de grond om niet naar zwaartekrachtgolven te zoeken, maar om pulsars te observeren. Deze ingestorte sterren zijn de vuurtorens van de melkweg. Ze draaien met ongelooflijk hoge snelheden en sturen stralingsstromen naar de aarde in een knipperend patroon dat gedurende de eonen grotendeels onveranderd blijft.

Simon legde uit dat zwaartekrachtgolven het gestage patroon van licht dat van pulsars komt, veranderen en de relatieve afstanden die deze stralen door de ruimte afleggen, trekken of samenknijpen. Met andere woorden, wetenschappers kunnen de achtergrond van de zwaartekrachtgolven simpelweg herkennen door pulsars te volgen op gecorreleerde veranderingen in de timing van wanneer ze op aarde aankomen.

'Deze pulsars draaien net zo snel rond als je keukenblender,' zei hij. "En we kijken naar afwijkingen in hun timing van slechts een paar honderd nanoseconden."

Iets daar
Om dat subtiele signaal te vinden, streeft het NANOGrav-team ernaar om zo lang mogelijk zoveel mogelijk pulsars te observeren. Tot op heden heeft de groep 45 pulsars gedurende minstens drie jaar en, in sommige gevallen, meer dan tien jaar waargenomen.

Het harde werk werpt zijn vruchten af. In hun laatste onderzoek melden Simon en zijn collega's dat ze een duidelijk signaal in hun gegevens hebben gedetecteerd: een veelvoorkomend proces lijkt het licht van veel van de pulsars te beïnvloeden.

“We liepen een voor een door elk van de pulsars. Ik denk dat we allemaal verwachtten er een paar te vinden die de idioten waren die onze gegevens weggooiden, 'zei Simon. "Maar toen hebben we ze allemaal doorgenomen en we zeiden: 'Oh mijn God, er is hier eigenlijk iets.'"

De onderzoekers kunnen nog steeds niet met zekerheid zeggen wat dat signaal veroorzaakt. Ze zullen meer pulsars aan hun dataset moeten toevoegen en ze gedurende langere perioden moeten observeren om te bepalen of het daadwerkelijk de zwaartekrachtgolfachtergrond op het werk is.

"In staat zijn om de achtergrond van de zwaartekrachtgolven te detecteren, zal een enorme stap zijn, maar dat is eigenlijk pas de eerste", zei hij. "Stap twee is vaststellen wat die golven veroorzaakt en ontdekken wat ze ons over het universum kunnen vertellen."

NANOGrav is een Physics Frontiers Center van de Amerikaanse National Science Foundation. Het wordt mede geregisseerd door Maura McLaughlin van West Virginia University en Xavier Siemens van Oregon State University.

https://www.colorado.edu/today/2021/01/ ... onal-waves

https://iopscience.iop.org/article/10.3 ... xocsXggfwE

http://nanograv.org/