Evrenin Arka Plan Mırıltısını Duymanın Eşiğindeyiz. İşte Neden Dinliyoruz : ScienceAlert

Evren mırıldanıyor olmalı.

Her süpernova, nötron yıldızları veya karadelikler arasındaki her birleşme, hatta hızla dönen yalnız nötron yıldızları bile yerçekimi dalgalarının kaynağı olabilir veya olmalıdır.

13,8 milyar yıl önceki Büyük Patlama’nın ardından uzayın hızla şişmesi olayı, kendi yerçekimi dalgalarını üretmeliydi.

Bir gölete atılan bir kaya gibi, bu büyük olaylar, uzay-zamanın dokusunda yankılanan dalgacıklar göndermelidir – uzayın zayıf genişlemeleri ve daralmaları, kesin olarak zamanlanmış olması gereken sinyallerdeki tutarsızlıklar olarak bizim tarafımızdan algılanabilir.

Toplu olarak, bu sinyal karışımı, yerçekimi dalgası arka planı olarak bilinen rastgele veya “karşılıklı” bir vızıltı oluşturmak için birleşir ve yerçekimi dalgası astronomisinde muhtemelen en çok aranan tespitlerden biridir.

Uzay araştırmalarında yeni sınır

Tıpkı kozmik mikrodalga arka planın keşfinin ondan önce yaptığı (ve yapmaya devam ettiği) gibi, yerçekimi dalgası arka planını bulmanın Evren ve onun evrimi hakkındaki anlayışımızı tamamen açacağı düşünülüyor.

Avustralya Ulusal Üniversitesi ve ARC Merkezi’nden teorik fizikçi Susan Scott, “Yerçekimi radyasyonunun stokastik bir arka planını tespit etmek, Evren’in çok erken dönemlerindeki astrofiziksel kaynak popülasyonları ve süreçleri hakkında başka hiçbir yolla erişilemeyen zengin bilgiler sağlayabilir” diye açıklıyor. Yerçekimi Dalgası Keşfi için Mükemmellik.

“Örneğin, elektromanyetik radyasyon, Evren’in son saçılma zamanından (Büyük Patlama’dan yaklaşık 400.000 yıl sonra) önceki bir resmini sağlamaz. Bununla birlikte, yerçekimi dalgaları, bize şişmenin başlangıcına kadar tüm bilgileri verebilir. , sadece ∼10^-32 Big Bang’den saniyeler sonra.”

Yerçekimi dalgası arka planının önemini anlamak için, Büyük Patlama’nın başka bir kalıntısı hakkında biraz konuşmalıyız: kozmik mikrodalga arka planı veya CMB.

Evrenimiz tıkırdamaya başladıktan ve uzay soğumaya başladıktan birkaç dakika sonra, her şey olan köpüren köpük, iyonize plazma biçimindeki atom altı parçacıklardan oluşan opak bir çorbaya dönüştü.

Onunla birlikte ortaya çıkan herhangi bir radyasyon dağıldı ve onu çok uzaklara götürmesini engelledi.. Bu atom altı parçacıklar, Rekombinasyon Çağı olarak bilinen bir çağ olan atomlar halinde yeniden birleşene kadar, ışık Evrende serbestçe hareket edebildi. ve çağlar boyunca aşağı doğru.

İlk ışık parlaması, Büyük Patlama’dan yaklaşık 380.000 yıl sonra uzayda patladı ve sonraki milyarlarca yıl içinde Evren büyüdükçe ve büyüdükçe, bu ışık her köşeye sürüklendi. Bugün hala etrafımızda. Bu radyasyon son derece zayıftır, ancak özellikle mikrodalga dalga boylarında algılanabilir. Bu CMB, Evrendeki ilk ışık.

Anizotropiler olarak adlandırılan bu ışıktaki düzensizlikler, o ilk ışığın temsil ettiği küçük sıcaklık dalgalanmalarından kaynaklanıyordu. Keşfinin ne kadar olağanüstü olduğunu abartmak zor: SPK, erken Evren’in durumu hakkında sahip olduğumuz yegane sondalardan biridir.

Yerçekimi dalgası arka planının keşfi, bu başarının muhteşem bir kopyası olacaktır.

Scott, “Kütleçekimsel dalga arka planının saptanması ve analizinin Evren anlayışımızda devrim yaratmasını bekliyoruz,” diyor Scott, “kozmik mikrodalga arka plan ve onun anizotropilerinin gözlemlenmesinin öncülüğünü yaptığı gibi.”

Boom-crash’ın ötesindeki vızıltı

Yerçekimi dalgalarının ilk tespiti kısa bir süre önce 2015 yılında yapıldı.

Yaklaşık 1,4 milyar yıl önce çarpışan iki kara delik, ışık hızında yayılan dalgacıklar gönderdi; Dünya’da, uzay-zamanın bu genişlemeleri ve daralmaları çok zayıf bir şekilde bir müzik aleti onlarca yıldır tasarlanmış ve rafine edilmiş, tam da böyle bir olayı tespit etmeyi bekleyen.

Birkaç nedenden dolayı anıtsal bir tespitti. Bize ilk kez kara deliklerin varlığını doğrudan doğruladı.

Genel Görelilik Teorisi tarafından 100 yıl önce yapılan yerçekimi dalgalarının gerçek olduğu tahminini doğruladı.

Ve bu, bilim adamlarının yıllardır üzerinde çalıştığı yerçekimi dalgası interferometresi adlı bu aracın, karadelik anlayışımızda devrim yaratacağı anlamına geliyordu.

Ve o sahip. LIGO ve Virgo interferometreleri bugüne kadar yaklaşık 100 yerçekimi dalgası olayı tespit etti: verilerde belirgin bir sinyal üretecek kadar güçlü olanlar.

Bu interferometreler, birkaç kilometre uzunluğundaki özel tünellerde parlayan lazerler kullanır. Bu lazerler, yerçekimi dalgaları tarafından üretilen uzay-zamanın gerilmesinden ve sıkışmasından etkilenir ve bilim adamlarının sinyalleri üreten kompakt nesnelerin özelliklerini anlayabilecekleri bir girişim modeli oluşturur.

Ancak yerçekimi dalgası arka planı farklı bir canavardır.

Scott, “Astrofiziksel bir arka plan, birçok zayıf, bağımsız ve çözümlenmemiş astrofizik kaynağın karışık gürültüsü tarafından üretilir” diyor.

“Yer tabanlı yerçekimi dalga dedektörlerimiz LIGO ve Virgo, bir çift kara deliğin onlarca bireysel birleşmesinden yerçekimi dalgalarını zaten tespit etti, ancak yıldız kütleli ikili kara delik birleşmelerinden gelen astrofiziksel arka planın, GWB’nin ana kaynağı olması bekleniyor. bu yeni nesil dedektörler. Tek tek çözülemeyen çok sayıda bu birleşme olduğunu biliyoruz ve birlikte dedektörlerde rastgele bir gürültü uğultusu üretiyorlar.”

Evrende ikili karadeliklerin çarpışma hızı bilinmiyor, ancak onları tespit etme hızımız bize bir tahminde bulunabileceğimiz bir temel sağlıyor.

Bilim adamları, dakikada yaklaşık bir birleşme ile saatte birkaç birleşme arasında olduğuna ve her birinin algılanabilir sinyalinin saniyenin sadece bir kısmı kadar sürdüğüne inanıyor. Bu bireysel, rasgele sinyaller muhtemelen algılanamayacak kadar zayıf olacak, ancak statik bir arka plan gürültüsü oluşturmak için birleşeceklerdir; astrofizikçiler bunu karşılaştırır patlamış mısır patlatma sesi.

Bu, LIGO ve Virgo interferometreleri gibi aletlerle bulmayı bekleyebileceğimiz stokastik bir yerçekimi dalgası sinyalinin kaynağı olacaktır. Bu enstrümanlar şu anda bakım ve hazırlık aşamasından geçiyor ve üçüncü bir gözlemevi tarafından birleştirilecek, Japonya’da KAGRAMart 2023’te yeni bir gözlem çalışmasında. Bu işbirliğiyle patlamış mısır GWB’sinin tespiti söz konusu değil.

Yine de, yerçekimi dalgası kitindeki tek araçlar bunlar değil. Ve diğer araçlar, yerçekimi dalgası arka planının diğer kaynaklarını tespit edebilecektir. Hala 15 yıl uzakta olan böyle bir araç, Lazer İnterferometre Uzay Anteni (LISA)2037’de piyasaya sürülecek.

LIGO ve Virgo ile aynı teknolojiye dayanıyor, ancak 2,5 milyon kilometre uzunluğunda “kolları” var. LIGO ve Virgo’dan çok daha düşük bir frekans rejiminde çalışacak ve bu nedenle farklı türde yerçekimi dalgası olaylarını tespit edecek.

Scott, ScienceAlert’e “GWB her zaman patlamış mısır benzeri değildir” diyor.

“Ayrıca, bir partideki arka plan konuşmalarına benzer şekilde, zaman içinde üst üste binen ve bir karışıklık gürültüsü üreten bireysel deterministik sinyallerden oluşabilir. Karmaşa gürültüsüne bir örnek, kompakt beyaz cüce çiftlerinin galaktik popülasyonu tarafından üretilen kütleçekimsel radyasyondur. Bu, LISA için önemli bir karışıklık gürültüsü kaynağı. Bu durumda, stokastik sinyal o kadar güçlü ki, aynı frekans bandındaki diğer zayıf yerçekimi dalga sinyallerini tespit etmeye çalışırken ek bir gürültü kaynağı olarak hareket ederek bir ön plan haline geliyor.”

LISA, teorik olarak, Big Bang’den hemen sonraki kozmik şişme veya kozmik sicimler gibi yerçekimi dalgası arka planının kozmolojik kaynaklarını da tespit edebilir. Evrendeki teorik çatlaklar yerçekimi dalgaları yoluyla enerji kaybederek şişmenin sonunda oluşmuş olabilir.

Evrenin nabzını zamanlamak

Bilim adamlarının yerçekimi dalgası arka planına dair ipuçları aramak için çalıştıkları galaktik ölçekli devasa bir yerçekimi dalgası gözlemevi de var: pulsar zamanlama dizileri. Pulsarlar, bir tür nötron yıldızıdır, bir zamanların devasa yıldızlarının muhteşem bir süpernovada ölen ve geride sadece yoğun bir çekirdek bırakan kalıntılarıdır.

Pulsarlar öyle bir şekilde dönerler ki, kutuplarından yayılan radyo ışınları Dünya’nın yanından kozmik bir deniz feneri gibi geçer; bazıları bunu, navigasyon gibi bir dizi uygulama için yararlı olan inanılmaz derecede kesin aralıklarla yapıyor.

Ancak uzay-zamanın gerilmesi ve sıkışması, teorik olarak, pulsar flaşlarının zamanlamasında küçük düzensizlikler üretmelidir.

Zamanlamada hafif tutarsızlıklar sergileyen bir atarca pek bir şey ifade etmeyebilir, ancak bir grup atarca birbiriyle ilişkili zamanlama tutarsızlıkları gösteriyorsa, bu, ilham veren süper kütleli kara delikler tarafından üretilen yerçekimi dalgalarının göstergesi olabilir.

Bilim adamları, pulsar zamanlama dizilerinde yerçekimi dalgası arka planının bu kaynağına dair umut verici ipuçları buldular, ancak durumun bu olup olmadığını belirlemek için henüz yeterli veriye sahip değiliz.

Kütleçekimsel dalga arka planının saptanmasına çok cazip bir şekilde yakın duruyoruz: Evrendeki kara deliklerin davranışını ortaya çıkaran astrofiziksel arka plan; ve kozmolojik arka plan – SPK’da görülen kuantum dalgalanmaları, enflasyon, Big Bang’in kendisi.

Scott, bunun beyaz balina olduğunu söylüyor: ancak arka planı gürültülü bütünü oluşturan ayrık kaynaklara ayırmanın zorlu çalışmasından sonra göreceğimiz balina.

“Astrofiziksel olarak üretilen bir arka planın saptanmasından gelecek zengin bilgileri dört gözle beklerken, Büyük Patlama’dan gelen yerçekimi dalgalarının gözlemlenmesi gerçekten de yerçekimi dalgası astronomisinin nihai hedefidir” diyor.

“Bu ikili kara delik ön planını kaldırarak, Einstein Telescope ve Cosmic Explorer gibi önerilen üçüncü nesil yer tabanlı dedektörler, 5 yıllık gözlemlerle kozmolojik olarak üretilmiş bir arka plana duyarlı olabilir ve böylece önemli kozmolojik gözlemlerin olabileceği aleme girebilir. yapılacak.”