Gravitations våg upptäcktes direkt för första gången 2015 efter ett sekel av dess förutsägelse av Einsteins allmänna relativitetsteori 1916. Men den kontinuerliga, låga frekvensen Gravitations-vågsbakgrund (GWB) som tros vara närvarande genom hela universum har hittills inte upptäckts direkt. Forskarna vid North American Nanohertz Observatory för Gravitationsvågor (NANOGrav) har nyligen rapporterat upptäckt av en lågfrekvent signal som kan vara "Gravitationsvågsbakgrund (GWB)".
Allmän relativitetsteori som föreslogs av Einstein 1916 förutspår att stora kosmiska händelser som supernova eller sammanslagning av svarta hål borde producera gravitationsvågor som fortplantar sig genom Universum. Jorden bör översvämmas av gravitationsvågor från alla håll hela tiden men dessa är oupptäckta eftersom de blir extremt svaga när de når jorden. Det tog ungefär ett sekel att göra en direkt detektering av gravitationsvågor när LIGO-Virgo-teamet 2015 lyckades detektera gravitationsvågor produceras på grund av sammanslagning av två svarta hål ligger på ett avstånd av 1.3 miljarder ljusår från jorden (1). Detta innebar också att de upptäckta krusningarna var bärare av information om den kosmiska händelsen som ägde rum för cirka 1.3 miljarder år sedan.
Sedan den första upptäckten 2015 har ett stort antal gravitationsvågor har spelats in hittills. De flesta av dem berodde på en sammanslagning av två svarta hål, få berodde på kollision mellan två neutronstjärnor (2). Alla upptäckta gravitationsvågor hittills var episodiska, orsakade på grund av binärt par svarta hål eller neutronstjärnor som spiralerar och smälter samman eller kolliderar med varandra (3) och var av högfrekvent, kort våglängd (i millisekunders intervall).
Men eftersom det finns möjlighet till ett stort antal källor till gravitationsvågor i universum därav många gravitationsvågor tillsammans från hela världen universum kan kontinuerligt passera genom jorden hela tiden och bilda en bakgrund eller brus. Detta bör vara kontinuerligt, slumpmässigt och av lågfrekvent liten våg. Det uppskattas att en del av det till och med kan ha sitt ursprung från Big Bang. Kallad Gravitations-vågbakgrund (GWB), detta har inte upptäckts hittills (3).
Men vi kan vara på gränsen till ett genombrott – forskarna vid North American Nanohertz Observatory för Gravitationsvågor (NANOGrav) har rapporterat upptäckt av en lågfrekvent signal som kan vara 'Gravitationsvågsbakgrund (GWB) (4,5,6).
Till skillnad från LIGO-virgo-teamet som upptäckte gravitations våg från enskilda par av svarta hål, NANOGrav-teamet har letat efter ihållande, brusliknande, "kombinerade" gravitations våg skapat under mycket lång tid av otaliga svarta hål i universum. Fokus låg på "mycket lång våglängd" gravitations våg i andra änden av "gravitationsvågspektrum".
Till skillnad från ljus och annan elektromagnetisk strålning kan gravitationsvågorna inte observeras direkt med ett teleskop.
NANOGrav-teamet valde millisekund pulsarer (MSP) som roterar mycket snabbt med långtidsstabilitet. Det finns ett stadigt mönster av ljus som kommer från dessa pulsare som bör ändras av gravitationsvågen. Tanken var att observera och övervaka en ensemble av ultrastabila millisekundspulsarer (MSP) för korrelerade förändringar i tidpunkten för ankomsten av signalerna till jorden och därmed skapa en "Galaxygravitationsvågsdetektor i storlek i vår egen galax. Teamet skapade en pulsar timing array genom att studera 47 av sådana pulsarer. Arecibo Observatory och Green Bank Telescope var de radio teleskop som används för mätningarna.
Datauppsättningen som hittills erhållits inkluderar 47 MSP:er och över 12.5 års observationer. Baserat på detta är det inte möjligt att definitivt bevisa direkt detektering av GWB även om de detekterade lågfrekventa signalerna mycket tyder på det. Nästa steg skulle kanske vara att inkludera fler pulsarer i arrayen och studera dem under längre tid för att öka känsligheten.
Att studera universum, forskare var uteslutande beroende av elektromagnetisk strålning som ljus, röntgen, radio våg etc. Eftersom det var helt orelaterade till elektromagnetisk strålning, öppnade detektering av gravitation 2015 ett nytt fönster för möjligheter för forskare att studera himlakroppar och förstå universum speciellt de himmelska händelserna som är osynliga för elektromagnetiska astronomer. Vidare, till skillnad från elektromagnetisk strålning, interagerar gravitationsvågor inte med materia och färdas därför praktiskt taget obehindrat och bär information om deras ursprung och källa utan distorsion.(3)
Detektering av gravitationsvågbakgrund (GWB) skulle bredda möjligheten ytterligare. Det kan till och med bli möjligt att upptäcka de vågor som genereras från Big Bang som kan hjälpa oss att förstå ursprunget till universum på ett bättre sätt.
***
Referenser:
- Castelvecchi D. och Witze A., 2016. Einsteins gravitationsvågor hittades äntligen. Naturnyheter 11 februari 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361
- Castelvecchi D., 2020. Vad 50 gravitationsvåghändelser avslöjar om universum. Nature News Publicerad 30 oktober 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0
- LIGO 2021. Källor och typer av gravitationsvågor. Tillgänglig online på https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Tillträde den 12 januari 2021.
- NANOGrav Collaboration, 2021. NANOGrav hittar möjliga "första tips" om lågfrekvent gravitationsvågsbakgrund. Tillgänglig online på http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Tillträde den 12 januari 2021
- NANOGrav Collaboration 2021. Pressinformation – Söker efter gravitationsvågens bakgrund under 12.5 år av NANOGrav Data. 11 januari 2021. Tillgänglig online på http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf
- Arzoumanian Z., et al 2020. NANOGrav 12.5 års datauppsättning: Sök efter en isotropisk stokastisk gravitationsvågbakgrund. The Astrophysical Journal Letters, volym 905, nummer 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401
***
