Gravitatiegolfachtergrond (GWB): een doorbraak in directe detectie

Zwaartekrachtgolf werd voor het eerst direct gedetecteerd in 2015, na een eeuw van voorspelling door Einsteins Algemene Relativiteitstheorie in 1916. Maar de continue, lage frequentie Zwaartekracht-wave Achtergrond (GWB) waarvan wordt aangenomen dat deze overal aanwezig is universum is tot nu toe niet direct gedetecteerd. De onderzoekers van het North American Nanohertz Observatory voor Zwaartekrachtgolven (NANOGrav) hebben onlangs de detectie gerapporteerd van een laagfrequent signaal dat 'Gravital-wave Background (GWB)' zou kunnen zijn.   

De algemene relativiteitstheorie, voorgesteld door Einstein in 1916, voorspelt dat grote kosmische gebeurtenissen zoals supernova's of samensmelting van zwarte gaten zou moeten produceren zwaartekrachtgolven die zich voortplanten door de Universum. De aarde zou ermee overspoeld moeten worden zwaartekrachtgolven vanuit alle richtingen, maar deze worden niet opgemerkt omdat ze extreem zwak worden tegen de tijd dat ze de aarde bereiken. Het duurde ongeveer een eeuw om zwaartekrachtrimpelingen direct te detecteren, toen het LIGO-Virgo-team in 2015 succesvol was in het detecteren van zwaartekrachtrimpelingen. zwaartekrachtgolven geproduceerd als gevolg van de fusie van twee zwarte gaten gelegen op een afstand van 1.3 miljard lichtjaar van de aarde ⁽¹⁾. Dit betekende ook dat de gedetecteerde rimpelingen drager waren van informatie over de kosmische gebeurtenis die ongeveer 1.3 miljard jaar geleden plaatsvond.  

Sinds de eerste detectie in 2015 is een flink aantal zwaartekracht rimpelingen zijn tot op heden geregistreerd. De meeste daarvan waren het gevolg van een fusie van twee zwarte gatenweinig daarvan waren het gevolg van de botsing van twee neutronensterren ⁽²⁾. Allemaal gedetecteerd zwaartekrachtgolven tot nu toe waren episodisch, veroorzaakt door een binair paar zwarte gaten of neutronensterren die in een spiraal draaien en samensmelten of met elkaar botsen ⁽³⁾ en waren van hoge frequentie, korte golflengte (in milliseconden bereik).   

Omdat er echter een groot aantal bronnen mogelijk is zwaartekrachtgolven in de universum vandaar velen zwaartekrachtgolven samen van over de hele wereld universum kan continu door de aarde gaan en voortdurend een achtergrond of geluid vormen. Dit moet continu, willekeurig en met een lage frequentie van kleine golven zijn. Er wordt geschat dat een deel ervan zelfs afkomstig kan zijn van de oerknal. Genaamd Zwaartekracht-wave Achtergrond (GWB), dit is tot nu toe niet gedetecteerd ⁽³⁾.  

Maar misschien staan ​​we aan de vooravond van een doorbraak, stellen de onderzoekers van het North American Nanohertz Observatory Zwaartekrachtgolven (NANOGrav) hebben detectie gemeld van een laagfrequent signaal dat een 'Gravitatiegolfachtergrond (GWB) zou kunnen zijn ^(4,5,6).  

In tegenstelling tot het LIGO-virgo-team dat het ontdekte zwaartekrachtgolf uit individuele paren van zwarte gatenheeft het NANOGrav-team gezocht naar aanhoudende, ruisachtige, 'gecombineerde' zwaartekrachtgolf gedurende een zeer lange periode door talloze mensen gecreëerd zwarte gaten in de universum. De focus lag op 'zeer lange golflengte' zwaartekrachtgolf aan de andere kant van het 'zwaartekrachtgolfspectrum'.

In tegenstelling tot licht en andere elektromagnetische stralingen, kunnen zwaartekrachtsgolven niet rechtstreeks met een telescoop worden waargenomen.  

Het NANOGrav-team koos voor milliseconde pulsars (MSP's) die zeer snel roteren met stabiliteit op de lange termijn. Er komt een stabiel lichtpatroon uit deze pulsers dat door de zwaartekrachtgolf zou moeten worden veranderd. Het idee was om een ​​ensemble van ultrastabiele millisecondepulsars (MSP) te observeren en te monitoren op gecorreleerde veranderingen in de timing van de aankomst van de signalen op de aarde, waardoor een “Melkweg-sized” zwaartekrachtgolfdetector binnen de onze melkweg. Het team creëerde een pulsar-timingarray door 47 van dergelijke pulsars te bestuderen. Het Arecibo Observatorium en de Green Bank Telescope waren de radio telescopen die voor de metingen worden gebruikt.   

De tot nu toe verkregen dataset omvat 47 MSP's en meer dan 12.5 jaar observaties. Op basis hiervan is het niet mogelijk om afdoende directe detectie van GWB te bewijzen, hoewel de gedetecteerde laagfrequente signalen dat in hoge mate aangeven. Misschien zou de volgende stap zijn om meer pulsars in de array op te nemen en ze voor een langere periode te bestuderen om de gevoeligheid te vergroten.  

het bestuderen van universumwaren wetenschappers uitsluitend afhankelijk van elektromagnetische straling zoals licht, röntgenstraling, radio golf enz. Omdat het totaal geen verband houdt met elektromagnetische straling, opende de detectie van zwaartekracht in 2015 een nieuwe kans voor wetenschappers om hemellichamen te bestuderen en de universum vooral die hemelse gebeurtenissen die onzichtbaar zijn voor elektromagnetische astronomen. Verder hebben zwaartekrachtgolven, in tegenstelling tot elektromagnetische straling, geen interactie met materie en reizen ze daarom vrijwel ongehinderd met informatie over hun oorsprong en bron, vrij van enige vervorming.⁽³⁾

Detectie van zwaartekrachtgolfachtergrond (GWB) zou de mogelijkheden verder verbreden. Het zou zelfs mogelijk kunnen worden om de golven te detecteren die door de oerknal worden gegenereerd, wat ons kan helpen de oorsprong ervan te begrijpen universum op een betere manier.

***

DOI: https://doi.org/10.29198/scieu/2101121  

***

Referenties:  

1. Castelvecchi D. en Witze A., 2016. Einsteins zwaartekrachtsgolven eindelijk gevonden. Natuurnieuws 11 februari 2016. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Castelvecchi D., 2020. Welke 50 zwaartekrachtsgolfgebeurtenissen onthullen over het heelal. Natuurnieuws gepubliceerd op 30 oktober 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Bronnen en soorten zwaartekrachtgolven. Online verkrijgbaar bij https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Betreden op 12 januari 2021. 

4. NANOGrav-samenwerking, 2021. NANOGrav vindt mogelijke 'eerste hints' van laagfrequente zwaartekrachtgolfachtergrond. Online verkrijgbaar bij http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Betreden op 12 januari 2021 

5. NANOGrav-samenwerking 2021. Persbriefing - Op zoek naar de zwaartekrachtgolfachtergrond in 12.5 jaar NANOGrav-gegevens. 11 januari 2021. Online verkrijgbaar bij http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Arzoumanian Z., et al 2020. De NANOGrav 12.5 jaar dataset: zoeken naar een isotrope stochastische zwaartekrachtgolfachtergrond. The Astrophysical Journal Letters, Volume 905, Number 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401  

***