คลื่นความโน้มถ่วง

การค้นพบที่เผยแพร่ในThe Astrophysical Journal Lettersในวันนี้มาจาก North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) ซึ่งเป็นทีมนักวิจัยที่ทำงานร่วมกันจากสถาบันต่างๆ กว่า 50 แห่งในสหรัฐอเมริกาและต่างประเทศ ทีมงานได้ทำการวิเคราะห์ดาวที่มอดดับซึ่งรู้จักกันในชื่อพัลซาร์มิลลิวินาที ซึ่งหมุนรอบตัวเองหลายร้อยครั้งต่อวินาที และปล่อยคลื่นวิทยุออกมาเหมือนเห็บจากนาฬิกาจักรวาลที่มีความแม่นยำสูง ทีมงานได้ค้นพบสิ่งที่ดูเหมือนจะเป็นการเปลี่ยนแปลงของ "อัตราการเคลื่อนตัว" ของพัลซาร์ดังกล่าว โดยการเปรียบเทียบการสังเกตของพัลซาร์มากกว่า 60 ดวงภายในข้อมูลของกล้องโทรทรรศน์วิทยุในช่วง 15 ปี การวิเคราะห์ของพวกเขาแสดงหลักฐานว่าการแปรผันเกิดจากคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำซึ่งบิดเบือนโครงสร้างของความเป็นจริงทางกายภาพที่เรียกว่ากาลอวกาศ จากการค้นพบของทีม NANOGrav การบิดเบือนเชิงพื้นที่จากคลื่นความโน้มถ่วงทำให้เกิดลักษณะที่อัตราการฟ้องของสัญญาณวิทยุของพัลซาร์เปลี่ยนไป แต่แท้จริงแล้วเป็นการยืดและบีบช่องว่างระหว่างโลกกับพัลซาร์ซึ่งทำให้คลื่นวิทยุมาถึงโลกเร็วกว่าหรือช้ากว่าที่คาดไว้นับพันล้านวินาที ผลลัพธ์เป็นหลักฐานแรกของพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นซุปของการบิดเบือนกาลอวกาศที่แผ่ซ่านไปทั่วเอกภพ และนักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ไว้นานแล้วว่าจะมีอยู่จริง "ทีม NSF NANOGrav สร้างโดยพื้นฐานแล้ว เครื่องตรวจจับทั่วกาแล็กซีเผยให้เห็นคลื่นความโน้มถ่วงที่แผ่ซ่านไปทั่วจักรวาลของเรา" Sethuraman Panchanathan ผู้อำนวยการ NSF กล่าว "ความร่วมมือระหว่างสถาบันวิจัยทั่วสหรัฐฯ แสดงให้เห็นว่านวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์ระดับโลกสามารถ ควร และเข้าถึงทุกส่วนในประเทศของเรา" คลื่นความโน้มถ่วงได้รับการทำนายครั้งแรกโดย Albert Einstein ในปี 1916 พวกเขาจะไม่ได้รับการยืนยันจนกว่าจะถึงปี 2015 เมื่อ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ตรวจพบการกระเพื่อมของกาลอวกาศที่เคลื่อนผ่านโลก แม้ว่าแหล่งที่มาของระลอกคลื่นความโน้มถ่วงเหล่านั้นเป็นการชนกันของหลุมดำที่อยู่ไกลออกไป 2 หลุม แต่การบิดเบือนเชิงพื้นที่ที่ LIGO ตรวจพบนั้นมีขนาดเล็กกว่านิวเคลียสของอะตอม จากการเปรียบเทียบ การเลื่อนเวลาของพัลซาร์ที่วัดโดยทีม NANOGrav นั้นอยู่ที่ไม่กี่แสนล้านส่วนในหนึ่งวินาที และแสดงถึงการยืดหยุ่นของกาลอวกาศระหว่างโลกกับพัลซาร์ตามความยาวของสนามฟุตบอล การบิดเบี้ยวของกาลอวกาศนั้นเกิดจาก คลื่นความโน้มถ่วง ที่มีระยะห่างระหว่างยอดยอด 2 ยอดถึง 2-10 ปีแสง หรือประมาณ 9-90 ล้านล้านกิโลเมตร "สิ่งเหล่านี้เป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่ทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยมีมา" Maura McLaughlin นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเวสต์เวอร์จิเนีย ผู้อำนวยการร่วมของ NANOgrav Physics Frontiers Center กล่าว "การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงขนาดมหึมานั้นต้องใช้เครื่องตรวจจับขนาดใหญ่เช่นเดียวกัน และความอดทน" การใช้ข้อมูลทางดาราศาสตร์เป็นเวลา 15 ปีที่บันทึกโดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่หอดูดาวที่รองรับ NSF ซึ่งรวมถึงหอดูดาวกรีนแบงค์ในเวสต์เวอร์จิเนีย หอดูดาวขนาดใหญ่มากในโซคอร์โร นิวเม็กซิโก และหอดูดาวอาเรซีโบในเปอร์โตริโก ทีม NANOGrav ได้สร้าง "เครื่องตรวจจับ " จากพัลซาร์ 67 ดวงกระจายทั่วท้องฟ้าและเปรียบเทียบอัตราการเดินของพัลซาร์คู่นั้น ด้วยการวิเคราะห์ข้อมูลที่ซับซ้อน พวกเขาอนุมานการมีอยู่ของพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงที่ทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของอวกาศ และด้วยเหตุนี้จึงอธิบายการเปลี่ยนแปลงของจังหวะเวลาที่ชัดเจนของพัลซาร์ นี่เป็นหลักฐานชิ้นแรกสำหรับคลื่นความโน้มถ่วงที่ความถี่ต่ำเหล่านี้" สตีเฟน เทย์เลอร์ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแวนเดอร์บิลต์ ประธานของความร่วมมือ NANOGrav และหัวหน้าร่วมของการวิจัยกล่าว "แหล่งที่มาของคลื่นเหล่านี้น่าจะเป็นคู่ที่โคจรใกล้กัน หลุมดำมวลมหาศาล" "มีอีกมากที่เรายังไม่เข้าใจเกี่ยวกับธรรมชาติทางกายภาพของเอกภพ และนั่นคือเหตุผลที่มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสนับสนุนความพยายามของทีมที่กล้าหาญอย่าง NANOGrav -- เพื่อขยายความรู้ของเราเพื่อประโยชน์ของสังคม" ผู้ช่วยผู้อำนวยการ NSF ฝ่ายคณิตศาสตร์และคณิตศาสตร์กล่าว วิทยาศาสตร์กายภาพ ฌอน แอล. โจนส์ ผลลัพธ์ของทีมให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับวิวัฒนาการของกาแลคซีและหลุมดำมวลมหาศาลเติบโตและรวมตัวกันอย่างไร การบิดเบือนกาลอวกาศอย่างกว้างขวางที่เปิดเผยในการค้นพบนี้บ่งบอกเป็นนัยว่าหลุมดำมวลมากคู่หนึ่งอาจแพร่กระจายไปทั่วเอกภพในทำนองเดียวกัน อาจมีจำนวนหลายแสนหรือหลายล้าน ในที่สุด ทีม NANOGrav คาดว่าจะสามารถระบุคู่หลุมดำมวลมหาศาลที่เฉพาะเจาะจงได้โดยการติดตามคลื่นความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมา พวกเขาอาจเปิดเผยร่องรอยของคลื่นความโน้มถ่วงจากเอกภพในยุคแรกเริ่ม "ในขณะที่ข้อมูลเบื้องต้นของเราบอกเราว่าเรากำลังได้ยินอะไรบางอย่าง แต่ตอนนี้เรารู้แล้วว่านั่นคือเสียงดนตรีของจักรวาลโน้มถ่วง" ผู้อำนวยการร่วมของ NANOGrav และ Xavier Siemens นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัย Oregon State กล่าว "ในขณะที่เราฟังไปเรื่อยๆ เครื่องดนตรีแต่ละชิ้นจะเข้ามามีบทบาทในวง cosmic orchestra วงนี้"