باستخدام كاشف بحجم مجرة ​​، وجد علماء الفلك أقوى دليل حتى الآن على موجات الجاذبية من أزواج الثقوب السوداء فائقة الكتلة

عندما تدور الثقوب السوداء وغيرها من الأجسام الكثيفة الضخمة حول بعضها البعض ، فإنها ترسل تموجات في المكان والزمان تسمى موجات الجاذبية. هذه الموجات هي إحدى الطرق القليلة التي يجب أن ندرس بها العمالقة الكونية الغامضة التي تخلقها.

لاحظ علماء الفلك “الزقزقة” عالية التردد للثقوب السوداء المتصادمة ، ولكن ثبت صعوبة اكتشاف الدوي منخفض التردد للغاية للثقوب السوداء الهائلة التي تدور حول بعضها البعض. لعقود من الزمان ، كنا نرصد النجوم النابضة ، وهي نوع من النجوم التي تنبض مثل المنارة ، بحثًا عن التموج الخافت لهذه الموجات.

اليوم ، أعلن تعاون أبحاث النجوم النابضة في جميع أنحاء العالم – بما في ذلك مجموعتنا ، مصفوفة توقيت باركس بولسار – أقوى دليل حتى الآن على وجود هذه الموجات.

ما هي موجات الجاذبية؟

في عام 1915 ، قدم الفيزيائي الألماني المولد ألبرت أينشتاين نظرة ثاقبة لطبيعة الجاذبية: النظرية العامة للنسبية.

تصف النظرية الكون بأنه “نسيج” رباعي الأبعاد يسمى الزمكان يمكنه التمدد والضغط والانحناء والالتواء. الأجسام الضخمة تشوه هذا النسيج لتسبب الجاذبية.

النتيجة الغريبة لهذه النظرية هي أن حركة الأجسام الضخمة يجب أن تنتج تموجات في هذا النسيج ، تسمى موجات الجاذبية ، والتي تنتشر بسرعة الضوء.

إقرأ المزيد: الشرح: الجاذبية

يتطلب الأمر قدرًا هائلاً من الطاقة لإنشاء أصغر هذه التموجات. لهذا السبب ، كان أينشتاين مقتنعًا بأن موجات الجاذبية لن تُرصد بشكل مباشر أبدًا.

بعد قرن من الزمان ، شهد باحثون من LIGO و Virgo اصطدام ثقبين أسودين ، مما أدى إلى اندفاع موجات الجاذبية في جميع أنحاء الكون.

الآن ، بعد سبع سنوات من هذا الاكتشاف ، وجد علماء الفلك الراديوي من أستراليا والصين وأوروبا والهند وأمريكا الشمالية دليلاً على موجات الجاذبية فائقة التردد المنخفضة.

قرقرة بطيئة لموجات الجاذبية

على عكس الاندفاع المفاجئ لموجات الجاذبية التي تم الإبلاغ عنها في عام 2016 ، فإن موجات الجاذبية فائقة التردد هذه تستغرق سنوات أو حتى عقودًا حتى تتأرجح.

من المتوقع أن تنتج عن أزواج من الثقوب السوداء الهائلة ، تدور حول نوى المجرات البعيدة في جميع أنحاء الكون. للعثور على موجات الجاذبية هذه ، سيحتاج العلماء إلى بناء كاشف بحجم مجرة.

أو يمكننا استخدام النجوم النابضة ، المنتشرة بالفعل عبر المجرة ، والتي تصل نبضاتها إلى تلسكوباتنا بانتظام مع الساعات الدقيقة.

كان تلسكوب باركس الراديوي التابع لـ CSIRO ، موريانغ ، يراقب مجموعة من هذه النجوم النابضة منذ ما يقرب من عقدين من الزمن. يعد فريق Parkes Pulsar Timing Array لدينا واحدًا من عدة تعاونات حول العالم والتي أعلنت اليوم عن تلميحات لموجات الجاذبية في أحدث مجموعات بياناتها.

ترى أوجه تعاون أخرى في الصين (CPTA) وأوروبا والهند (EPTA و InPTA) وأمريكا الشمالية (NANOGrav) إشارات مماثلة.

الإشارة التي نبحث عنها هي “محيط” عشوائي من موجات الجاذبية التي تنتجها جميع أزواج الثقوب السوداء فائقة الكتلة في الكون.

إن رصد هذه الموجات ليس انتصارًا آخر لنظرية أينشتاين فحسب ، بل له عواقب مهمة على فهمنا لتاريخ المجرات في الكون. الثقوب السوداء الهائلة هي المحركات الموجودة في قلب المجرات التي تتغذى على الغاز وتنظم تكوين النجوم.

تظهر الإشارة على شكل قعقعة منخفضة التردد ، شائعة بين جميع النجوم النابضة في المصفوفة. عندما تغسل موجات الجاذبية فوق الأرض ، فإنها تؤثر على معدلات الدوران الظاهرة للنجوم النابضة.

يؤدي شد مجرتنا وضغطها بواسطة هذه الموجات في النهاية إلى تغيير المسافات إلى النجوم النابضة بعشرات الأمتار فقط. هذا ليس كثيرًا عندما تكون النجوم النابضة على بعد حوالي 1،000 سنة ضوئية (أي حوالي 10،000،000،000،000،000،000 متر).

من اللافت للنظر ، أنه يمكننا ملاحظة هذه التحولات في الزمكان حيث تتأخر نانوثانية في النبضات ، والتي يمكن لعلماء الفلك الراديوي تتبعها بسهولة نسبية لأن النجوم النابضة هي ساعات طبيعية مستقرة.

ما الذي تم الإعلان عنه؟

نظرًا لأن موجات الجاذبية فائقة التردد تستغرق سنوات حتى تتأرجح ، فمن المتوقع أن تظهر الإشارة ببطء.

أولاً ، لاحظ علماء الفلك الراديوي دويًا شائعًا في النجوم النابضة ، لكن مصدرها لم يكن معروفًا.

الآن ، بدأت البصمة الفريدة لموجات الجاذبية بالظهور كسمة لهذه الإشارة ، والتي تمت ملاحظتها من خلال تعاون مجموعة توقيت النجوم النابضة حول العالم.

اقرأ المزيد: عندما تصطدم المجرات: نمو الثقوب السوداء الهائلة

تصف بصمة الإصبع هذه علاقة معينة بين تشابه تأخيرات النبض وزاوية الفصل بين أزواج النجوم النابضة في السماء.

تنشأ العلاقة بسبب تمدد الزمكان على الأرض ، وتغيير المسافات إلى النجوم النابضة بطريقة تعتمد على اتجاهها. تُظهر النجوم النابضة القريبة من بعضها في السماء إشارة أكثر تشابهًا من النجوم النابضة المنفصلة بزوايا قائمة ، على سبيل المثال.

تم تمكين هذا الاختراق من خلال التكنولوجيا المحسنة في مراصدنا. تتمتع مصفوفة توقيت باركس بولسار بأطول مجموعة بيانات عالية الجودة ، وذلك بفضل تقنية معالجة الإشارات والاستقبال المتقدمة المثبتة في موريانغ. مكنت هذه التقنية التلسكوب من اكتشاف العديد من أفضل النجوم النابضة المستخدمة من قبل التعاون حول العالم في عمليات البحث عن موجات الجاذبية.

أظهرت النتائج السابقة لتعاوننا وآخرين أن الإشارة المتوقعة من موجات الجاذبية كانت مفقودة من ملاحظات النجوم النابضة.

اقرأ المزيد: أين موجات الجاذبية المفقودة؟

الآن ، يبدو أننا نرى الإشارة بوضوح نسبي. من خلال تقسيم مجموعة بياناتنا الطويلة إلى “شرائح زمنية” أقصر ، نظهر أن الإشارة تتزايد بمرور الوقت. السبب الكامن وراء هذه الملاحظة غير معروف ، ولكن قد يكون أن موجات الجاذبية تتصرف بشكل غير متوقع.

الدليل الجديد على موجات الجاذبية ذات التردد المنخفض للغاية مثير لعلماء الفلك. لتأكيد هذه التواقيع ، سيتعين على التعاون العالمي دمج مجموعات البيانات الخاصة بهم ، مما يزيد من حساسيتهم لموجات الجاذبية عدة مرات.

الجهود المبذولة لإنتاج مجموعة البيانات المجمعة هذه جارية الآن في إطار مشروع مصفوفة توقيت بولسار الدولي ، الذي التقى أعضاؤه في بورت دوجلاس في فار نورث كوينزلاند الأسبوع الماضي. المراصد المستقبلية ، مثل مصفوفة الكيلومتر المربع قيد الإنشاء في أستراليا وجنوب إفريقيا ، ستحول هذه الدراسات إلى مصدر غني للمعرفة حول تاريخ كوننا.