تم سماع خلفية موجة الجاذبية للكون للمرة الأولى

سمع علماء الفلك الطنين الخافت لموجات الجاذبية يتردد صداها في جميع أنحاء الكون لأول مرة.

منذ ما يقرب من عقد من الزمان ، كان العلماء يبحثون عن خلفية موجات الجاذبية ، وهو صدى خافت ولكنه مستمر لموجات الجاذبية التي يُعتقد أنها انطلقت بسبب الأحداث التي حدثت بعد الانفجار الكبير واندماجات الثقوب السوداء الهائلة في جميع أنحاء الكون. في حين أن هذه الخلفية كانت نظرية طويلة من قبل علماء الفيزياء وسعى علماء الفلك ، إلا أنه كان من الصعب اكتشاف إشارات موجات الجاذبية التي تشكل تلك الخلفية بسبب ضعفها ، بالإضافة إلى الاهتزاز على فترات زمنية طويلة. الآن ، أكدت الملاحظات طويلة المدى وجودهم أخيرًا.

في إعلان متوقع للغاية ومنسق عالميًا يوم الأربعاء (28 يونيو) ، أبلغت فرق من العلماء في جميع أنحاء العالم عن اكتشاف “همهمة منخفضة” لهذه التموجات الكونية المتدفقة عبر مجرة ​​درب التبانة.

في حين أن علماء الفلك لا يعرفون بشكل قاطع سبب الطنين ، فإن الإشارة المكتشفة هي “دليل دامغ” ومتسقة مع التوقعات النظرية موجات الجاذبية الخارجة من أزواج غزيرة من “أضخم الثقوب السوداء في الكون بأسره” تزن ما يصل إلى بلايين من الثقوب السوداء شموسقال ستيفن تايلور ، عالم فيزياء فلكية موجات الجاذبية في جامعة فاندربيلت في تينيسي الذي شارك في قيادة البحث.

متعلق ب: ما هي موجات الجاذبية؟

تم الإعلان عن تلميحات للإشارة نفسها في سلسلة من الأوراق البحثية التي نشرها علماء في الصين والهند وأوروبا وأستراليا. يقولون إن الإشارات قد تأتي من اندماج الثقوب السوداء الهائلة التي يتم التقاطها في الرقصات الكونية ، والتي تدور حول بعضها البعض في مدارات تتقلص عبر ملايين السنين. خلال هذه العملية ، هم إطلاق الطاقة على شكل موجات جاذبية يتردد صداها في جميع أنحاء الكون – يقول علماء الفلك الآن إنهم اكتشفوها.

أفاد العلماء أن همهمة الخلفية المرصودة لموجات الجاذبية قد ازدادت أهميتها بمرور الوقت ، مما يوفر دليلًا محيرًا على أنه قد يكون هناك مئات الآلاف أو حتى الملايين من الكتلة الهائلة الثقوب السوداء على وشك الاندماج في غضون مئات الآلاف من السنين القادمة ، على الرغم من أن الأجسام العملاقة نفسها لم يتم رصدها بعد.

المنارات الكونية ككاشفات موجات الجاذبية

لاكتشاف خلفية موجة الجاذبية ، درس علماء الفلك النجوم سريعة الدوران التي تسمى ميلي ثانية النجوم النابضة، وهي النجوم الميتة التي تدور حولها 700 مرة في الثانية بإنتظام مذهل ، ينفثون حزمًا من الضوء من أقطابها المغناطيسية ، والتي يُنظر إليها على أنها “نبضات” عندما تومض في اتجاه الأرض.

يمكن أن تساعد مثل هذه المنارات الكونية في اكتشاف موجات الجاذبية من الثقوب السوداء الموجودة هائل، ملايين إلى مليارات المرات أكبر من شمسنا. وبالمقارنة ، فإن مرصد مقياس التداخل بالليزر لموجات الجاذبية (ليغو) يمكن للشبكة فقط اكتشاف موجات الجاذبية الناشئة من الثقوب السوداء الأصغر التي تصل إلى 10 أضعاف كتلة الشمس.

إذا كان الامتداد التثاؤب للفضاء بين الأرض والنجوم النابضة فارغًا تمامًا ، فإن الضوء من الساعات الكونية الوامضة سيستغرق نفس الوقت للوصول إلى الأرض في كل مرة ينبض فيها في اتجاهنا. في الواقع ، يتأثر توقيت النبضات بعوامل مثل الغاز والغبار في الوسط البينجمي وحركات النجوم النابضة وكذلك الأرض في مجرة ​​درب التبانة.

تعمل موجات الجاذبية أيضًا على تمدد وضغط نسيج الزمكان بيننا وبين النجوم النابضة ، مما يؤدي إلى تشويه نبضاتها المنتظمة بدقة من أي مكان بين عشرات النانو ثانية إلى خمس سنوات أو أكثر ، مما يؤدي إلى وصول ومضات الضوء في وقت أبكر أو متأخرًا عن المعتاد.

في البحث الجديد ، “الدليل الحاسم” الذي يخون مصدر الإشارات لتكون ثقوبًا سوداء فائقة الكتلة هو نمط فريد وجد في أوقات وصول النبضات من هوائي كوني بحجم المجرة يبلغ قرابة 70 ملي ثانية من النجوم النابضة في مجرة ​​درب التبانة ، وفقًا لاتحاد علماء الفلك المعروف باسم مرصد أمريكا الشمالية نانوهيرتز لموجات الجاذبية (نانوغراف). يقول العلماء إن إشارات موجات الجاذبية من ثنائيات الثقب الأسود تتداخل “مثل الأصوات في حشد من الناس” وتؤدي إلى همهمة متواصلة تندرج كنمط فريد في بيانات توقيت النجم النابض.

استخرج العلماء هذا النمط من خلال مراقبة أشعة تشبه المنارة من أزواج من النجوم النابضة. استخدام تلسكوبات راديوية مختلفة مثل التلسكوبات المنهارة الآن مرصد أريسيبو في بورتوريكو مرصد جرين بانك في ولاية فرجينيا الغربية مجموعة كبيرة جدًا من Karl G. Jansky في نيو مكسيكو وتجربة رسم خرائط كثافة الهيدروجين الكندية (قرع) في كندا ، قاموا بجمع بيانات حول توقيت تلك البقول كل شهر لمدة 15 عامًا. بعد ذلك ، قاموا بحساب الفرق بين أوقات وصول النبضات الفعلية وأوقات وصولها المتوقعة – والتي يمكنهم تقديرها في غضون 1 ميكروثانية ، مقارنة بقياس المسافة إلى القمر في حدود جزء من ألف من المليمتر ، كما يقول العلماء.

قال تايلور إن إشارات موجات الجاذبية المرغوبة كثيرًا كانت متضمنة في تلك الاختلافات. هذه هي المرة الأولى التي يجد فيها العلماء أدلة دامغة على مثل هذه الأنماط من عدم الاتساق المحفورة على خلفية موجات الجاذبية ، والتي تنبأت نظرية أينشتاين للنسبية العامة بآثارها على ومضات الضوء للنجوم النابضة في عام 1916.

قال تايلور: “نحن متحمسون للغاية لرؤية هذا النمط يظهر أخيرًا”.

عبور العتبة النهائية

يعلم العلماء أنه عندما تندمج الثقوب السوداء ، تتفاعل جاذبيتها مع النجوم القريبة ، مما يستنزف الطاقات المدارية للثقوب السوداء ويدفعها بشكل متزايد إلى نقطة التحول إلى ثقب أسود واحد. يشير نموذج بسيط إلى أنه بعد اقتراب المسافة بين الثقوب السوداء 3.2 سنة ضوئية من بعضها البعض ، فإنها تندمج عن طريق إشعاع موجات الجاذبية. ومع ذلك ، فقد اقترحت نماذج أخرى أن الثقوب السوداء تمتد بمقاييس زمنية أطول من الكون نفسه لأنها توقف اندماجها عندما تصل إلى علامة 3.2 سنة ضوئية.

قال لوك زولتان كيلي ، الأستاذ المساعد في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، جزء من تعاون NANOGrav ، في بيان.

قصص ذات الصلة:

– تصادم الثقوب السوداء “حلقة” عبر الزمكان مع موجات الجاذبية

– قد تكون موجات الجاذبية الخافتة من الكسور البدائية في الزمكان

– استعد علماء الفلك لاصطياد نوع جديد من موجات الجاذبية

لذا فإن الطريقة التي تقلل بها تلك الثقوب السوداء من مدارها إلى ما بعد تلك المسافة وتندمج في النهاية – المعروفة باسم “مشكلة فرسخ البحر الأخيرة” – لم يتم فهمها جيدًا.

قال كيلي: “للحصول على هذه الأنواع من السعات العالية التي نراها ، نحتاج إلى ثقوب سوداء ضخمة إلى حد ما ، وهي بحاجة إلى تكوين ثنائيات بشكل متكرر للغاية وتتطور بكفاءة عالية”.

وأضاف أنه إذا توقف الاكتشاف وانتهى الأمر بأن تكون الإشارات التي يتم اكتشافها من ثقوب سوداء ثنائية ، “فحينئذٍ كان عليهم أن يجتازوا الفرسخ النهائي بطريقة أو بأخرى”.

نُشرت أربع دراسات منفصلة حول اكتشاف خلفية الموجة الثقالية في مجلة Astrophysical Journal Letters:

مجموعة بيانات NANOGrav لمدة 15 عامًا: دليل لخلفية موجة الجاذبية
مجموعة بيانات NANOGrav التي تبلغ مدتها 15 عامًا: الملاحظات وتوقيت النجوم النابضة 68 مللي ثانية
مجموعة بيانات NANOGrav لمدة 15 عامًا: توصيف الكاشف وميزانية الضوضاء
مجموعة بيانات NANOGrav لمدة 15 عامًا: ابحث عن إشارات من الفيزياء الجديدة

تم قبول دراستين إضافيتين من قبل مجلة Astrophysical Journal Letters للنشر في وقت لاحق.