Πρόκειται να ακούσουμε το υπόβαθρο του σύμπαντος. Να γιατί πρέπει να ακούσετε: ScienceAlert

Το σύμπαν πρέπει να είναι θορυβώδες.

Κάθε σουπερνόβα, κάθε συγχώνευση αστεριών νετρονίων ή μαύρες τρύπεςακόμη και μεμονωμένα, ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων μπορούν ή πρέπει να αποτελούν πηγή βαρυτικά κύματα.

Ο γρήγορος πληθωρισμός του διαστήματος έχει συμβεί ακόμη η μεγάλη έκρηξη Πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια θα έπρεπε να έχει δημιουργήσει τη δική του σειρά βαρυτικών κυμάτων.

Σαν ένας βράχος που πετάχτηκε σε μια λίμνη, αυτά τα κολοσσιαία γεγονότα θα πρέπει να στέλνουν κυματισμούς που αντηχούν μέσα από το ύφασμα του χωροχρόνου – αμυδρές διαστολές και συστολές του χώρου που μπορούμε να ανιχνεύσουμε ως αποκλίσεις στα σήματα που πρέπει να είναι χρονομετρημένα με ακρίβεια.

Συλλογικά, αυτό το μείγμα σημάτων συνδυάζεται για να σχηματίσει έναν τυχαίο ή “τυχαίο” θόρυβο γνωστό ως “τυχαίο” θόρυβο βαρυτικό κύμα υπόβαθρο, και είναι ίσως μια από τις πιο πολυπόθητες ανακαλύψεις στην αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων.

Τα νέα σύνορα στην εξερεύνηση του διαστήματος

Σκέψη – ακριβώς όπως το Discovery Κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων Το έχω κάνει στο παρελθόν (και εξακολουθεί να το κάνει) – ότι η εύρεση ενός φόντου βαρυτικών κυμάτων θα έπληττε την κατανόησή μας για το σύμπαν και την εξέλιξή του.

«Η ανίχνευση του στοχαστικού υποβάθρου της βαρυτικής ακτινοβολίας θα μπορούσε να παρέχει πληθώρα πληροφοριών σχετικά με τα σμήνη και τις διεργασίες αστροφυσικών πηγών στο πολύ πρώιμο σύμπαν, τα οποία δεν είναι προσβάσιμα με κανένα άλλο μέσο», εξηγεί η θεωρητική φυσικός Susan Scott του Εθνικού Πανεπιστημίου της Αυστραλίας και του ARC. Αριστεία στην ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων.

Για παράδειγμα, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δεν παρέχει εικόνα του σύμπαντος νωρίτερα από τον χρόνο της τελευταίας σκέδασης (περίπου 400.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη). Ωστόσο, τα βαρυτικά κύματα μπορούν να μας δώσουν πληροφορίες για την έναρξη του πληθωρισμού, μόνο 10^-32 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Για να κατανοήσουμε τη σημασία του φόντου των βαρυτικών κυμάτων, πρέπει να μιλήσουμε λίγο για ένα άλλο απομεινάρι της Μεγάλης Έκρηξης: το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων ή CMB.

Στιγμές αφότου το σύμπαν άρχισε να ξεδιπλώνεται και το διάστημα άρχισε να ψύχεται, ο ανερχόμενος αφρός που ήταν τα πάντα σε μια αδιαφανή σούπα υποατομικών σωματιδίων στερεοποιήθηκε σε μορφή ιονισμένου πλάσματος.

Οποιαδήποτε ακτινοβολία έβγαινε μαζί του ήταν διασκορπισμένη, εμποδίζοντάς την να διανύσει μεγάλη απόσταση. Μόλις αυτά τα υποατομικά σωματίδια ανασυνδυάστηκαν σε άτομα, μια εποχή γνωστή ως εποχή του ανασυνδυασμού, το φως μπορούσε να κινείται ελεύθερα μέσα στο σύμπαν. Και ούτω καθεξής στο πέρασμα των αιώνων.

Η πρώτη λάμψη φωτός εξερράγη στο διάστημα περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, και καθώς το σύμπαν μεγάλωνε και μεγάλωνε τα επόμενα δισεκατομμύρια χρόνια, αυτό το φως τραβήχτηκε σε κάθε γωνία. Είναι ακόμα και σήμερα γύρω μας. Αυτή η ακτινοβολία είναι πολύ αδύναμη αλλά ανιχνεύσιμη, ειδικά σε μήκη κύματος μικροκυμάτων. Αυτό είναι το CMB, το πρώτο φως στο σύμπαν.

Οι ανωμαλίες σε αυτό το φως, που αναφέρονται ως ανισοτροπία, προκλήθηκαν από μικρές διακυμάνσεις στη θερμοκρασία που αντιπροσωπεύονται από αυτό το πρώτο φως. Είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί πόσο εκπληκτική ήταν η ανακάλυψή του: το CMB είναι μια από τις μοναδικές έρευνες που έχουμε για την κατάσταση του πρώιμου σύμπαντος.

Η ανακάλυψη του φόντου των βαρυτικών κυμάτων θα ήταν μια ωραία επανάληψη αυτού του άθλου.

«Αναμένουμε ότι η ανίχνευση και η ανάλυση του φόντου των βαρυτικών κυμάτων θα φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για το σύμπαν, με τον ίδιο τρόπο που πρωτοστάτησε στις παρατηρήσεις του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων και της ανισοτροπίας του», λέει ο Scott.

Η διαφημιστική εκστρατεία μετά την κατάρρευση του μπουμ

ο Πρώτη ανίχνευση Τα βαρυτικά κύματα δημιουργήθηκαν πριν από λίγο καιρό, το 2015.

Δύο μαύρες τρύπες που συγκρούστηκαν πριν από περίπου 1,4 δισεκατομμύρια χρόνια προκάλεσαν κυματισμούς που διαδόθηκαν με την ταχύτητα του φωτός. Στη Γη, αυτές οι διαστολές και συστολές του χωροχρόνου προκαλούνται πολύ ασθενώς ένα εργαλείο Έχει σχεδιαστεί και τελειοποιηθεί εδώ και δεκαετίες, περιμένοντας να ανακαλυφθεί από ένα τέτοιο γεγονός.

Ήταν ένα τεράστιο εύρημα για διάφορους λόγους. Μας έδωσε άμεση επιβεβαίωση, για πρώτη φορά, της ύπαρξης μαύρων τρυπών.

Και επιβεβαίωσε την πρόβλεψη που έκανε Η γενική θεωρία της σχετικότητας Πριν από 100 χρόνια τα βαρυτικά κύματα ήταν πραγματικά.

Αυτό σημαίνει ότι αυτό το εργαλείο, το συμβολόμετρο βαρυτικών κυμάτων, πάνω στο οποίο εργάζονται οι επιστήμονες εδώ και χρόνια θα φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για τις μαύρες τρύπες.

Και αυτή. Έχουν εντοπιστεί συμβολόμετρα LIGO και Virgo Σχεδόν 100 Γεγονότα βαρυτικών κυμάτων μέχρι στιγμής: αυτά είναι αρκετά ισχυρά για να παράγουν ένα συγκεκριμένο σήμα στα δεδομένα.

Αυτά τα συμβολόμετρα χρησιμοποιούν λέιζερ που λάμπουν μέσα από ειδικές σήραγγες μήκους πολλών χιλιομέτρων. Αυτά τα λέιζερ επηρεάζονται από το τέντωμα και τη συμπίεση του χωροχρόνου που προκαλείται από βαρυτικά κύματα, δημιουργώντας ένα μοτίβο παρεμβολής από το οποίο οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν τις ιδιότητες των συμπαγών αντικειμένων που παράγουν τα σήματα.

Αλλά η ταπετσαρία βαρυτικών κυμάτων είναι ένα διαφορετικό θηρίο.

“Το αστροφυσικό υπόβαθρο προκύπτει από τον ενοχλητικό θόρυβο πολλών αδύναμων, ανεξάρτητων, άλυτων αστροφυσικών πηγών”, λέει ο Scott.

«Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων της Γης LIGO και Virgo έχουν ήδη ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα από δεκάδες μεμονωμένες συγχωνεύσεις ενός ζεύγους μαύρων οπών, αλλά το αστροφυσικό υπόβαθρο από το δυαδικό σύστημα αστρικής μάζας Μαύρη τρύπα Οι συγχωνεύσεις αναμένεται να αποτελέσουν σημαντική πηγή GWB για αυτήν την τρέχουσα γενιά ανιχνευτών. Γνωρίζουμε ότι υπάρχουν πάρα πολλές τέτοιες συγχωνεύσεις για να επιλυθούν μεμονωμένα και μαζί παράγουν τυχαίο θόρυβο στους ανιχνευτές».

Ο ρυθμός με τον οποίο οι δυαδικές μαύρες τρύπες συγκρούονται στο σύμπαν είναι άγνωστος, αλλά ο ρυθμός με τον οποίο μπορούμε να τις εντοπίσουμε μας δίνει μια βασική γραμμή από την οποία μπορούμε να κάνουμε μια εκτίμηση.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι κυμαίνεται από περίπου μία συγχώνευση ανά λεπτό, έως πολλές συγχωνεύσεις ανά ώρα, με ανιχνεύσιμο σήμα για κάθε μία που διαρκεί μόνο ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Αυτά τα μεμονωμένα, τυχαία σήματα είναι πιθανότατα πολύ αμυδρά για να ανιχνευθούν, αλλά μπορεί να συνδυαστούν για να παράγουν σταθερό θόρυβο περιβάλλοντος. Οι αστροφυσικοί το συγκρίνουν με Ήχος που σκάει ποπ κορν.

Αυτή θα ήταν η πηγή ενός σήματος τυχαίου βαρυτικού κύματος που μπορούμε να περιμένουμε να βρούμε με όργανα όπως τα συμβολόμετρα LIGO και Virgo. Αυτές οι συσκευές βρίσκονται υπό συντήρηση και προετοιμασία και θα ενωθούν με ένα τρίτο παρατηρητήριο, KAGRA στην Ιαπωνίασε μια νέα παρατήρηση τον Μάρτιο του 2023. Το ποπ κορν GWB αλιεύτηκε μέσω αυτής της συνεργασίας Δεν αποκλείεται.

Ωστόσο, αυτά δεν είναι τα μόνα εργαλεία στην ομάδα των βαρυτικών κυμάτων. Άλλα όργανα θα μπορούν να ανιχνεύουν άλλες πηγές βαρυτικών κυμάτων φόντου. Ένα τέτοιο εργαλείο, που απέχει ακόμα 15 χρόνια, είναι Διαστημική κεραία συμβολόμετρου λέιζερ (LISA)προγραμματισμένη να κυκλοφορήσει το 2037.

Βασίζεται στην ίδια τεχνολογία με το LIGO και το Virgo, αλλά με βραχίονες μήκους 2,5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων. Θα λειτουργεί σε ένα καθεστώς πολύ χαμηλότερης συχνότητας από το LIGO και το Virgo, και ως εκ τούτου θα ανιχνεύει διαφορετικούς τύπους γεγονότων βαρυτικών κυμάτων.

«Το GWB δεν είναι πάντα σαν το ποπ κορν», λέει ο Scott στο ScienceAlert.

Μπορούν επίσης να αποτελούνται από μεμονωμένα ντετερμινιστικά σήματα που επικαλύπτονται χρονικά με αποτέλεσμα θόρυβο σύγχυσης, παρόμοιο με τις συνομιλίες στο παρασκήνιο σε ένα πάρτι. Ένα παράδειγμα θορύβου σύγχυσης είναι η βαρυτική ακτινοβολία που δημιουργείται από σμήνη γαλαξιών συγχωνευμένων δυαδικών λευκών νάνων. Αυτό θα είναι μια σημαντική πηγή θόρυβος σύγχυσης για το LISA. Σε αυτήν την περίπτωση, το τυχαίο σήμα είναι τόσο ισχυρό που γίνεται πρώτο πλάνο, λειτουργώντας ως πρόσθετη πηγή θορύβου όταν προσπαθείτε να ανιχνεύσετε άλλα αδύναμα σήματα βαρυτικών κυμάτων στην ίδια ζώνη συχνοτήτων.

Το LISA θα μπορούσε θεωρητικά επίσης να ανιχνεύσει κοσμικές πηγές βαρυτικών κυμάτων φόντου, όπως ο κοσμικός πληθωρισμός μετά το Big Bang ή οι κοσμικές χορδές – Θεωρητικές ρωγμές στο σύμπαν Αυτό θα μπορούσε να έχει σχηματιστεί στο τέλος του πληθωρισμού, χάνοντας ενέργεια μέσω βαρυτικών κυμάτων.

Ο χρονισμός του παλμού του σύμπαντος

Υπάρχει επίσης ένα μεγάλο παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων γαλαξιακής κλίμακας που οι επιστήμονες μελετούν για να αναζητήσουν υποδείξεις του φόντου των βαρυτικών κυμάτων: πάλσαρ συστοιχίες χρονισμού. πάλσαρ Αυτή κάπως αστέρι νετρονίωντα απομεινάρια τεράστιων αστεριών που πέθαναν σε μια θεαματική σουπερνόβα, αφήνοντας πίσω τους έναν πυκνό πυρήνα.

Τα πάλσαρ περιστρέφονται με τέτοιο τρόπο ώστε δέσμες ραδιοεκπομπών από τους πόλους τους να περνούν μέσα από τη Γη, σαν κοσμικός φάρος. Μερικοί από αυτούς το κάνουν αυτό σε απίστευτα ακριβή διαστήματα, κάτι που είναι χρήσιμο για μια σειρά εφαρμογών, όπως η πλοήγηση.

Αλλά η διαστολή και η συμπίεση του χωροχρόνου, θεωρητικά, έχει ως αποτέλεσμα μικρές ανωμαλίες στο χρονισμό των αναλαμπές των πάλσαρ.

Ένα πάλσαρ που δείχνει μικρές αποκλίσεις χρονισμού μπορεί να μην σημαίνει πολλά, αλλά εάν μια ομάδα πάλσαρ εμφανίσει συσχετισμένες χρονικές αποκλίσεις, θα μπορούσε να είναι ένδειξη βαρυτικών κυμάτων από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που εμπνέουν.

Οι επιστήμονες το βρήκαν Μπερδεμένες υποδείξεις Αυτή είναι μια πηγή του φόντου βαρυτικών κυμάτων στις συστοιχίες χρονισμού πάλσαρ, αλλά δεν έχουμε αρκετά δεδομένα για να προσδιορίσουμε αν συμβαίνει αυτό.

Βρισκόμαστε πολύ κοντά στην ανακάλυψη του φόντου των βαρυτικών κυμάτων: το αστροφυσικό υπόβαθρο, το οποίο αποκαλύπτει τη συμπεριφορά των μαύρων οπών σε όλο το σύμπαν. Και το κοσμικό υπόβαθρο – οι κβαντικές διακυμάνσεις που βλέπουμε στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, ο πληθωρισμός, η ίδια η Μεγάλη Έκρηξη.

Αυτή, λέει ο Scott, είναι η λευκή φάλαινα: την οποία θα δούμε μόνο μετά τη σκληρή δουλειά να ξεμπερδέψουμε το φόντο στις ξεχωριστές πηγές που αποτελούν το θορυβώδες σύνολο.

«Ενώ προσβλέπουμε στον πλούτο των πληροφοριών που προέρχονται από μια ανακάλυψη αστροφυσικού υποβάθρου, η παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων από τη Μεγάλη Έκρηξη είναι πραγματικά ο απώτερος στόχος της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων», λέει.

«Αφαιρώντας αυτό το δυαδικό μέτωπο μαύρης τρύπας, οι προτεινόμενοι επίγειοι ανιχνευτές τρίτης γενιάς, όπως το τηλεσκόπιο του Αϊνστάιν και ο Κοσμικός Εξερευνητής, μπορούν να είναι ευαίσθητοι σε ένα επιστημονικά παραγόμενο υπόβαθρο με 5 χρόνια παρατηρήσεων, εισερχόμενοι έτσι στη σφαίρα όπου υπάρχουν σημαντικές κοσμολογικές παρατηρήσεις μπορεί να γίνει».