Το απόγευμα της Τετάρτης, μια διεθνής κοινοπραξία ερευνητικών συνεργασιών αποκάλυψε πειστικά στοιχεία για την ύπαρξη ενός χαμηλού τόνου βαρυτικών κυμάτων που αντηχούν σε όλο το σύμπαν.
Οι επιστήμονες υποψιάζονται έντονα ότι αυτά τα βαρυτικά κύματα είναι η συλλογική ηχώ ζευγών υπερμεγέθων μαύρων οπών – χιλιάδες από αυτές, μερικές με μάζα όσο ένα δισεκατομμύριο ήλιους, που κάθονται στις καρδιές αρχαίων γαλαξιών σε απόσταση έως και 10 δισεκατομμυρίων ετών φωτός – καθώς αργά συγχωνεύονται και δημιουργούν κυματισμούς στο χωροχρόνο.
«Μου αρέσει να το σκέφτομαι ως χορωδία ή ορχήστρα», είπε ο Xavier Siemens, φυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Όρεγκον που είναι μέρος της συνεργασίας του North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, ή NANOGrav, που ηγήθηκε της προσπάθειας. Κάθε ζευγάρι υπερμεγέθων μαύρων τρυπών δημιουργεί μια διαφορετική νότα, είπε η Siemens, «και αυτό που λαμβάνουμε είναι το άθροισμα όλων αυτών των σημάτων ταυτόχρονα».
Τα ευρήματα ήταν πολύ αναμενόμενα, έρχονται περισσότερα από 15 χρόνια αφότου το NANOGrav άρχισε να λαμβάνει δεδομένα. Οι επιστήμονες είπαν ότι, μέχρι στιγμής, τα αποτελέσματα ήταν σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, η οποία περιγράφει πώς η ύλη και η ενέργεια παραμορφώνουν τον χωροχρόνο για να δημιουργήσουν αυτό που ονομάζουμε βαρύτητα. Καθώς συλλέγονται περισσότερα δεδομένα, αυτό το κοσμικό βουητό θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να κατανοήσουν πώς το σύμπαν πέτυχε την τρέχουσα δομή του και ίσως να αποκαλύψει εξωτικούς τύπους ύλης που μπορεί να υπήρχαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.
«Το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων θα ήταν πάντα το πιο δυνατό, το πιο προφανές πράγμα που μπορούσε να βρεθεί», είπε η Chiara Mingarelli, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale και μέλος του NANOGrav, το οποίο χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. «Αυτή είναι πραγματικά μόνο η αρχή ενός εντελώς νέου τρόπου παρατήρησης του σύμπαντος».
Την Πέμπτη, η συνεργασία NANOGrav μετέδωσε μια δημόσια ενημέρωση ειδήσεων για να ανακοινώσει επίσημα τα αποτελέσματά της. «Η σημερινή ανακοίνωση καταστρέφει την αντίληψη ενός στατικού σύμπαντος», δήλωσε ο Sean Jones, βοηθός διευθυντής για τη Διεύθυνση Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών στο Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. «Αυτές οι παρατηρήσεις αποκαλύπτουν ένα κυλιόμενο, θορυβώδες σύμπαν ζωντανό με την κοσμική συμφωνία των βαρυτικών κυμάτων».
Τα βαρυτικά κύματα δημιουργούνται από οποιοδήποτε αντικείμενο που περιστρέφεται, όπως τα περιστρεφόμενα υπολείμματα αστρικών πτωμάτων, οι μαύρες τρύπες που περιστρέφονται γύρω από τις μαύρες τρύπες ή ακόμη και δύο άνθρωποι που «κάνουν ένα do-si-do», είπε ο Mingarelli. Αλλά σε αντίθεση με άλλους τύπους κυμάτων, αυτοί οι κυματισμοί τεντώνουν και συμπιέζουν το ίδιο το ύφασμα του χωροχρόνου, παραμορφώνοντας τις αποστάσεις μεταξύ τυχόν ουράνιων αντικειμένων που περνούν.
«Ακούγεται πολύ επιστημονική φαντασία», είπε ο Μινγκαρέλι. «Αλλά είναι στην πραγματικότητα».
Η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων ανακοινώθηκε για πρώτη φορά το 2016 από τη συνεργασία του Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ ή LIGO. η ανακάλυψη ενίσχυσε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν ως ακριβές μοντέλο του σύμπαντος και κέρδισε στους ιδρυτές του έργου το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 2017. Όμως τα σήματα του LIGO ήταν κυρίως στην περιοχή συχνοτήτων μερικών εκατοντάδων hertz και δημιουργήθηκαν από μεμονωμένα ζεύγη μαύρες τρύπες ή αστέρια νετρονίων που είχαν μάζα 10 έως 100 φορές μεγαλύτερη από τον ήλιο μας.
Αντίθετα, οι ερευνητές που συμμετείχαν σε αυτή την εργασία έψαχναν για ένα συλλογικό βουητό σε πολύ χαμηλότερες συχνότητες – ένα δισεκατομμυριοστό του ενός hertz, πολύ κάτω από το ακουστικό εύρος – που προερχόταν από παντού ταυτόχρονα.
Στις χαμηλότερες συχνότητες, αυτό το βουητό είναι τόσο δυνατό «που θα μπορούσε να προέρχεται από εκατοντάδες χιλιάδες, ή πιθανώς ένα εκατομμύριο, αλληλεπικαλυπτόμενα σήματα από την κοσμική ιστορία συγχωνεύσεων υπερμεγέθων δυαδικών μαύρων τρυπών», είπε ο Μινγκαρέλι.
Το σήμα ανακαλύφθηκε μελετώντας τη συμπεριφορά των ταχέως περιστρεφόμενων αστεριών που ονομάζονται πάλσαρ, χρησιμοποιώντας μια μέθοδο που το 1993 κέρδισε δύο επιστήμονες το βραβείο Νόμπελ στη φυσική για την έμμεση μέτρηση των επιπτώσεων των βαρυτικών κυμάτων.
Η ομάδα NANOGrav δημοσίευσε ταυτόχρονα τέσσερις μελέτες στο The Astrophysical Journal Letters, καθώς και δύο εργασίες στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv.org, που περιγράφουν λεπτομερώς τη συλλογή και ανάλυση των δεδομένων και τις διαφορετικές ερμηνείες του αποτελέσματος.
Εάν το σήμα προέρχεται από ζεύγη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών σε τροχιά, η μελέτη του φόντου των βαρυτικών κυμάτων θα ρίξει φως στην εξελικτική ιστορία αυτών των συστημάτων και των γαλαξιών που τα περιβάλλουν. Αλλά το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε επίσης να προέρχεται από κάτι άλλο, όπως υποθετικές ρωγμές στο χωροχρόνο, γνωστές ως κοσμικές χορδές.
Ή θα μπορούσε να είναι ένα λείψανο της Μεγάλης Έκρηξης, παρόμοιο με το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, το οποίο οδήγησε σε θεμελιώδεις ανακαλύψεις σχετικά με τη δομή του σύμπαντος μέσα σε 400.000 χρόνια από την αρχή του. Το υπόβαθρο των κυμάτων βαρύτητας θα ήταν ένας ακόμα καλύτερος αρχέγονος ανιχνευτής, είπε ο Μινγκαρέλι, επειδή θα είχε εκπέμπεται σχεδόν ακαριαία.
Για να ανιχνεύσουν το υπόβαθρο των βαρυτικών κυμάτων, οι ερευνητές εκμεταλλεύτηκαν τη φύση των πάλσαρ που μοιάζει με φάρο που απλώνεται στον Γαλαξία μας. «Ο ανιχνευτής μας δεν είναι κάτι που μπορείτε να κατασκευάσετε σε ένα εργαστήριο ή ακόμα και να εκτοξευτείτε στο διάστημα», είπε ο Thankful Cromartie, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο Cornell, κατά τη διάρκεια της συνέντευξης Τύπου της Πέμπτης. “Είναι πιο κοντά στο μέγεθος του γαλαξία.”
Τα πάλσαρ λειτουργούν σαν κοσμικά ρολόγια, εκπέμποντας δέσμες ραδιοκυμάτων που μπορούν να μετρηθούν περιοδικά στη Γη. Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει ότι καθώς τα βαρυτικά κύματα διαπερνούν τα πάλσαρ, θα πρέπει να διαστέλλονται και να συρρικνώνονται η απόσταση μεταξύ αυτών των αντικειμένων και της Γης, αλλάζοντας τον χρόνο που χρειάζεται για να φτάσουν τα ραδιοσήματα στους παρατηρητές. Και αν το φόντο των βαρυτικών κυμάτων είναι πράγματι παντού, τα πάλσαρ σε όλο το σύμπαν θα πρέπει να επηρεαστούν με συσχετισμένο τρόπο.
Αντί να κατασκευάσει ένα ειδικό όργανο, η ομάδα NANOGrav εκμεταλλεύτηκε τα υπάρχοντα ραδιοτηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο: το Very Large Array στο Νέο Μεξικό, το τηλεσκόπιο Green Bank στη Δυτική Βιρτζίνια και το Αστεροσκοπείο Arecibo στο Πουέρτο Ρίκο (πριν από τη μοιραία κατάρρευσή του πριν από τρία χρόνια) .
Το 2020, μετά από περισσότερα από 12 χρόνια συλλογής δεδομένων, η ομάδα NANOGrav δημοσίευσε αποτελέσματα από την παρακολούθηση του χρονισμού 45 πάλσαρ. Ακόμη και τότε, είπε η Siemens, οι ερευνητές είδαν δελεαστικές ενδείξεις φόντου βαρυτικών κυμάτων, αλλά χρειάστηκε να παρακολουθήσουν περισσότερα πάλσαρ για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να επιβεβαιώσουν ότι όντως συσχετίστηκαν και να διεκδικήσουν μια ανακάλυψη. Έτσι, η ομάδα του NANOGrav προσέγγισε συναδέλφους μέσω του International Pulsar Timing Array – μιας οργάνωσης-ομπρέλα που περιλαμβάνει συνεργασίες με έδρα την Ινδία, την Ευρώπη, την Κίνα και την Αυστραλία – και συντόνισε μια προσπάθεια να αποκαλύψουν μαζί το υπόβαθρο των κυμάτων βαρύτητας.
Γρήγορη μετάβαση στην Τετάρτη: Κάθε συνεργασία δημοσιεύει πλέον αποτελέσματα από δεδομένα που συλλέγονται ανεξάρτητα, τα οποία υποστηρίζουν την ύπαρξη φόντου βαρυτικών κυμάτων. Η ομάδα NANOGrav έχει το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων, με 15 χρόνια μετρήσεων από 67 πάλσαρ, καθένα από τα οποία παρακολουθείται για τουλάχιστον τρία χρόνια.
Τα ευρήματα έχουν ένα επίπεδο εμπιστοσύνης στο εύρος από 3,5 έως 4 σίγμα, λίγο λιγότερο από το πρότυπο 5 σίγμα που γενικά αναμένεται από τους φυσικούς να ισχυριστούν μια ανακάλυψη για όπλο καπνίσματος. Αυτό σημαίνει ότι οι πιθανότητες να δούμε ένα αποτέλεσμα σαν αυτό τυχαία είναι περίπου 1 στα 1.000 χρόνια, είπε ο Mingarelli. «Αυτό είναι αρκετά καλό για μένα, αλλά οι άλλοι θέλουν μια φορά στα εκατομμύρια χρόνια», είπε. «Θα φτάσουμε εκεί τελικά».
Η Marcelle Soares-Santos, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν που δεν συμμετείχε στην εργασία, αναγνώρισε ότι ενώ αυτό ήταν πρώιμο στοιχείο, τα αποτελέσματα ήταν δελεαστικά. «Αυτό είναι κάτι που η κοινότητα περίμενε εδώ και αρκετό καιρό», είπε, προσθέτοντας ότι ανεξάρτητες μετρήσεις από άλλες συνεργασίες χρονισμού πάλσαρ ενίσχυσαν τα ευρήματα.
Ωστόσο, είπε ο Soares-Santos, ήταν πολύ νωρίς για να πούμε τι αντίκτυπο μπορεί να έχει ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων στη μελλοντική έρευνα. Αν το σήμα προερχόταν πραγματικά από την αργή, προς τα μέσα σπειροειδή κίνηση των υπερμεγέθων μαύρων οπών, όπως πιστεύουν πολλοί συνεργάτες του NANOGrav, θα αύξανε αυτό που καταλαβαίνουν οι επιστήμονες σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο οι πρώιμοι γαλαξίες συγχωνεύτηκαν, σχηματίζοντας ολοένα μεγαλύτερα συστήματα αστεριών και σκόνης που τελικά εγκαταστάθηκαν στο σύμπλεγμα. δομές που παρατηρούνται σήμερα.
Αλλά αν οι κυματισμοί προήλθαν από τη Μεγάλη Έκρηξη, θα μπορούσαν αντ ‘αυτού να παρέχουν μια εικόνα για τη διαστολή του σύμπαντος ή τη φύση της σκοτεινής ύλης – η αόρατη κόλλα που οι επιστήμονες πιστεύουν ότι κρατά το σύμπαν ενωμένο – και ίσως ακόμη και να αποκαλύψουν νέα σωματίδια ή δυνάμεις που υπήρχαν κάποτε. (Οι ειδικοί σημείωσαν ότι το φόντο των βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε επίσης να προέρχεται από πολλαπλές πηγές, οπότε η πρόκληση θα ήταν να ξεμπερδέψουμε πόσο προέρχεται από πού.)
Η ομάδα NANOGrav εργάζεται ήδη για την ανάλυση όλων των δεδομένων από συνεργασίες βαρυτικών κυμάτων σε όλο τον κόσμο, που ισοδυναμούν με μετρήσεις περίπου 25 ετών από 115 πάλσαρ. Αυτά τα αποτελέσματα θα αποκαλυφθούν σε ένα χρόνο περίπου, είπε η Siemens, προσθέτοντας ότι περίμενε ότι θα ξεπεράσουν το επίπεδο ανακάλυψης 5 σίγμα.
Αλλά μπορεί να χρειαστούν μερικά ακόμη χρόνια για να επιβεβαιωθεί η πηγή του φόντου των βαρυτικών κυμάτων. Οι ερευνητές έχουν ήδη αρχίσει να χρησιμοποιούν τα δεδομένα τους για να συνθέτουν χάρτες του σύμπαντος και να αναζητούν έντονες, κοντινές περιοχές σημάτων βαρυτικών κυμάτων ενδεικτικά μιας μεμονωμένης υπερμεγέθους δυαδικής μαύρης τρύπας. Από εκεί ξεκινά η διασκέδαση, είπε ο Μινγκαρέλι, ο οποίος ανυπομονεί να αναλύσει αυτούς τους χάρτες και να αναζητήσει ακόμη πιο εξωτικά φαινόμενα, όπως γαλαξιακούς πίδακες, κοσμικές χορδές ή σκουληκότρυπες.
«Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε κάτι πραγματικά πρωτοποριακό», είπε ο Soares-Santos, συγκρίνοντάς το με την ανακάλυψη του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου στη δεκαετία του 1960, το οποίο από τότε έχει μεταμορφώσει τις γνώσεις των φυσικών για το πρώιμο σύμπαν.
Στη συνέντευξη Τύπου της Πέμπτης, η Maura McLaughlin, συνεργάτης του NANOGrav στο Πανεπιστήμιο της Δυτικής Βιρτζίνια, ήταν ενθουσιώδης για την επόμενη φάση της έρευνας. «Σίγουρα περιμένουμε το απροσδόκητο», είπε. «Το μόνο που έχουμε να κάνουμε είναι να συνεχίσουμε να ακούμε».
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στους New York Times.