초대질량 블랙홀의 ‘배경’ 중력파에 대한 첫 번째 힌트
당신은 그것을 느끼지 못할 수도 있지만 과학자들은 당신 주변의 시공간 구조가 서로를 도는 괴물 블랙홀에 의해 생성된 파동으로 끊임없이 잔물결을 일으키고 있다고 믿습니다.
이 저주파 중력파의 울림은 지구상의 어떤 망원경으로도 감지할 수 없습니다.
대신 호주를 포함한 전 세계의 천문학자들은 펄서라고 하는 회전하는 별이 우주를 천천히 늘리고 압축할 때 이러한 파동을 측정하려고 노력했습니다.
수년간의 검색 끝에 그들은 이 파도에 의해 생성된 천체 지문의 첫 번째 힌트를 발견했을 것이라고 믿습니다.
“이것은 중력파 배경에 대한 최초의 증거입니다. 우리는 우주에 대한 새로운 관찰 창을 열었습니다.
2020년에 67개의 펄서를 관찰하고 있는 NANOGrav는 저주파 럼블을 감지했지만 중력파 때문인지 일종의 이상 현상인지는 분명하지 않았습니다.
그런 다음 NSW의 Parkes에있는 CSIRO의 전파 망원경 인 Murriyang을 포함하여 전 세계에서 망원경을 사용하는 5 개의 개별 그룹에서 동일한 신호를 보았습니다.
이 데이터는 오늘 The Astrophysical Journal Letters and Research in Astronomy and Astrophysics에 동시에 발표된 여러 논문에 나타납니다.
Swinburne 대학과 OZGrav의 Daniel Reardon은 PPTA(Parkes Pulsar Timing Array)로 알려진 호주 공동 연구 논문 2개의 수석 저자입니다.
PPTA는 지난 20년 동안 모든 망원경 중 가장 긴 30개의 펄서를 관측했습니다.
“북반구 펄서만 관찰하거나 남반구 펄서만 관찰하는 경우 북반구와 남반구의 협력을 결합하고 하늘의 모든 펄서를 사용하는 것보다 실제로 더 제한적입니다.”라고 Reardon 박사는 말했습니다.
잠깐만. 중력파는 오래된 뉴스가 아닌가?
예, 아니오.
중력파는 2015년에 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에 의해 두 개의 병합 블랙홀을 감지하여 노벨상을 수상하면서 처음 발견되었습니다.
LIGO는 레이저를 사용하여 3,000km 떨어져 있는 감지기에서 4km 길이의 파이프 길이의 극미한 변화를 감지했습니다.
그 이후로 LIGO와 VIRGO라는 이탈리아의 또 다른 탐지기는 블랙홀, 별의 죽은 핵을 삼키는 블랙홀, 서로 충돌하는 중성자 별을 병합하여 생성된 수십 개의 중력파 인스턴스를 감지했습니다.
이러한 많은 발견의 중심에 있는 블랙홀은 우리 태양 질량의 약 85배에 달하며 충돌로 인해 갑자기 고주파 중력파가 폭발합니다.
오늘날의 발견과 관련된 블랙홀은 태양 질량의 최대 수십억 배에 달하는 훨씬 더 크며 우주를 통해 진동하는 데 수십 년이 걸릴 수 있는 초저주파 “배경” 중력파를 생성합니다.
과학자들은 이 초저주파 파동이 우주를 통해 울려 퍼지며 끊임없이 웅웅거리며 서로 중첩된다고 믿고 있습니다.
“그것은 하나의 단일 파동이 아니라 전체 우주에 있는 모든 초거대 블랙홀 쌍성 시스템의 합인 전체 스펙트럼 파동과 같은 바다와 같습니다.”
리어든 박사는 “이들을 포착하려면 LIGO처럼 4km가 아니라 은하만한 크기의 검출기가 필요하다”고 말했다.
그렇다면 펄서는 어떻게 작동할까요?
펄서는 우주의 등대입니다.
한때 거대한 별의 죽은 핵이 초당 수백 번 회전함에 따라 극에서 전파 빔을 내보냅니다. 지구에서 그 광선은 시계처럼 규칙적으로 번쩍이는 것을 볼 수 있습니다.
아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중력파에 의해 생성된 시공간 구조의 물결은 이러한 펄스가 우리에게 도달하는 타이밍에 영향을 미칩니다.
“중력파가 지구를 통과할 때 공간을 늘리고 압축하여 펄서까지의 거리를 변경합니다.”라고 Reardon 박사는 설명했습니다.
“우리는 예상보다 빠르거나 늦게 망원경에 도착하는 펄스로 이러한 변화하는 거리를 측정합니다.”
그런 다음 천문학자들은 패턴이 나타나는지 확인하기 위해 시간이 지남에 따라 펄서 쌍의 신호를 비교합니다.
펄서가 많을수록 신호가 데이터의 단순한 이상 이상인지 확인하기가 더 쉽습니다.
그러나 초저주파 중력파는 파장이 너무 길어 이를 감지하는 데 수년이 걸릴 수 있다.
“우리는 [Parkes에서] 20년 동안 임의의 변동을 찾고 있었습니다.”라고 Reardon 박사는 말했습니다.
Murriyang은 검색의 첫 10년 동안 신호의 증거를 거의 감지하지 못했습니다. 패턴이 나타나기 시작한 것은 보다 현대적인 기술을 사용한 지난 몇 년 동안이었습니다.
“갑자기 폭발한 다음 탐지가 된 것 같지 않습니다. 천천히 구축될 것으로 예상됩니다. 그리고 지금 일어나고 있는 것 같습니다.”
이것은 우리에게 무엇을 말해 줄 수 있습니까?
아인슈타인이 옳다는 것을 증명하는 것 외에 — 다시?
우리 은하의 중심에 있는 것과 같은 초대질량 블랙홀은
우주가 어떻게 형성되었는지를 이해하는 데 매우 중요합니다.
“우리는 모든 거대 은하의 중심에 초대질량 블랙홀이 있다는 것을 알고 있으며, 은하가 합쳐진다는 것도 알고 있습니다.”
그러나 이 거대괴수는 은하계의 엔진이지만 관찰하고 연구하기는 어렵습니다.
“그래서 중력파는 우리가 이 초대형 블랙홀의 개체수를 연구하는 한 가지 방법입니다.”라고 Reardon 박사는 말했습니다.
그렇기 때문에 천문학자들은 이 길고 느린 신호가 확인되기를 바라고 있습니다. 그런 다음 다음 단계는 그 원인을 블랙홀 또는 다른 상상을 초월하는 현상으로 파악하는 것입니다.
우리가 힌트라고 말할 때 그것은 무엇을 의미합니까?
패턴이 나타나는 동안 감지가 아직 확인되지 않았습니다.
Reardon 박사는 Murriyang이 발견한 그림과 잘 맞지 않는 몇 가지 놀라운 결과가 여전히 있다고 말했습니다.
“신호는 시간이 지남에 따라 더 강해졌고 우리는 그 원인이 무엇인지 모릅니다.”라고 그는 말했습니다.
“그런데 모든 협력에서 중력파의 지문에 대한 증거는 매우 유망합니다.”
Murriyang은 20년 동안 펄서를 찾고 있었지만 더 많은 펄서를 감지하기 위해 NANOGrav와 같은 다른 그룹에서 사용하는 다른 훨씬 더 큰 망원경만큼 민감하지 않습니다.
지금까지의 모든 결합된 측정치조차도 천문학자들이 중력파에 의해 신호가 발생했다고 단호하게 말할 필요가 있는 “스모킹 건”이 아닙니다.
“우리는 아직 탐지 단계에 있지 않습니다. 그 이유는 이 신호가 시간이 지남에 따라 천천히 나타날 것으로 예상되기 때문입니다.”라고 Reardon 박사는 말했습니다.
다음에 어떻게 됩니까?
더 많은 데이터를 처리해야 할 때입니다.
호주, 유럽, 인도 및 북미의 190명의 과학자들은 더 강력한 패턴이 나타나는지 확인하기 위해 International Pulsar Timing Array의 일부로 데이터 세트를 결합할 것입니다.
리어든 박사는 답을 비교적 빨리 찾을 수 있을 것이라고 낙관하고 있습니다.
1년 안에 가능할 것 같다”고 말했다.
8시간 전에 게시됨8시간 전에, 7시간 전에 업데이트됨
First hints of ‘background’ gravitational waves from supermassive black holes
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By science reporter Genelle Weule
Posted 8h ago8 hours ago, updated 7h ago7 hours ago
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abc.net.au/news/background-gravitational-waves-murriyang-parkes-telescope/102538934
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You may not be able to feel it, but scientists believe the fabric of space-time around you is constantly rippling with waves created by monster black holes circling each other.
Key points:
- Scientists have been hunting for signs of gravitational waves created by supermassive black holes
- They have observed fast-spinning stars over decades using radio telescopes around the world, looking for changes in timing
- The first evidence that these low-frequency gravitational waves may exist has now been published — but the results still need to be confirmed
This rumble of low-frequency gravitational waves is impossible to detect using any telescope on Earth.
Instead astronomers from around the globe, including Australia, have been peering at spinning stars called pulsars to try to measure these ripples as they slowly stretch and squeeze the universe.
After years of searching, they believe they may have found the first hints of the celestial fingerprint created by these waves.
“This is the first-ever evidence for the gravitational wave background. We’ve opened a new window of observation on the universe,” said Chiara Mingarelli, of the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) in a statement.
In 2020, NANOGrav, which is observing 67 pulsars, detected a low frequency rumble, but it was not clear whether it was from gravitational waves or some sort of anomaly.
Then the same signal was seen by five separate groups using telescopes all around the world, including Murriyang — CSIRO’s radio telescope at Parkes in NSW.
The data appears today in several papers, published simultaneously in The Astrophysical Journal Letters and Research in Astronomy and Astrophysics.
Daniel Reardon, of Swinburne University and OZGrav, is the lead author of two research papers by the Australian collaboration known as the Parkes Pulsar Timing Array (PPTA).
The PPTA has been observing 30 pulsars over the past 20 years, the longest of all the telescopes.
“If you’re only observing northern hemisphere pulsars or only southern hemisphere pulsars, you’re really more restricted than if we combine northern and southern hemisphere collaborations and use all of the pulsars on the sky,” Dr Reardon said.
Hang on. Aren’t gravitational waves old news?
Yes and no.
Gravitational waves were first discovered in 2015, with the Nobel Prize-winning detection of two merging black holes by the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO).
LIGO used lasers to detect infinitesimally small changes in the length of 4-kilometre-long pipes, in detectors located 3,000 km apart.
Since then LIGO and another detector in Italy called VIRGO have detected dozens of instances of gravitational waves, created by merging black holes, black holes swallowing the dead cores of stars, and neutron stars crashing into each other.
The black holes at the centre of many of these discoveries are up to about 85 times the mass of our Sun, and the collisions produce sudden bursts of high frequency gravitational waves.
https://www.youtube.com/embed/uq_3gXh7-U0?feature=oembedYOUTUBEHow the pulsar signal reaches Earth
The black holes involved in today’s discovery are much larger – up to billions of times the mass of our Sun – and produce ultra-low frequency “background” gravitational waves that can take up to decades for their oscillations to snake through the cosmos.
Scientists believe these ultra-low frequency waves rumble through the Universe, overlapping each other in a constant hum.
“It’s like an ocean, not just one single wave, but a whole spectrum of waves, which is the sum of all of the supermassive black hole binary systems in the whole Universe.”
“To pick up those we need a detector not four kilometres across like LIGO, but rather the size of a galaxy,” Dr Reardon said.
So how do pulsars work?
Pulsars are the lighthouses of the cosmos.
As these dead cores of once massive stars spin hundreds of times per second, they send out beams of radio waves from their poles. From Earth, those beams can be seen flashing with clockwork-like regularity.
https://www.youtube.com/embed/MPpDTvYL5ik?feature=oembedYOUTUBEMillisecond pulsar video
According to Einstein’s theory of general relativity, ripples in the fabric of space-time created by gravitational waves affect the timing of when these pulses reach us.
“As the gravitational waves pass over Earth, they change the distances to pulsars by stretching and squeezing space,” Dr Reardon explained.
“We measure these changing distances as pulses that arrive at our telescopes earlier or later than we expect.”
Astronomers then compare signals from pairs of pulsars over time, to see if a pattern emerges.
The more pulsars, the easier it is to see if a signal is more than just an anomaly in the data.
But because the wavelength of ultra-low frequency gravitational waves is so long it can take many years to detect them.
“We’ve been looking for random fluctuations … for two decades [at Parkes],” Dr Reardon said.
Murriyang detected little evidence of a signal in the first decade of searching; it’s only been in the last few years using more modern technology that a pattern has started to emerge.
“It’s not as if we had a sudden burst and then came detection. It’s expected to build slowly. And that appears to be what’s happening now.”
What could this tell us?
Apart from proving Einstein is right — again?
Supermassive black holes, like the one at the centre of our galaxy, are very important to our understanding of how the Universe formed.
“We know that all large galaxies have a supermassive black hole at the core, and we know that galaxies merge.”
But while these behemoths are the engines of galaxies, they are hard to observe and study.
“So gravitational waves are one way for us to study the population of these supermassive black holes,” Dr Reardon said.
That’s why astronomers are hoping that this long, slow signal is confirmed. Then the next step will be to try and pin down its source to black holes — or some other mind-boggling phenomenon.
When we say hints, what does that mean?
While a pattern is emerging, the detection is yet to be confirmed.
Dr Reardon said there were still some surprising results picked up by Murriyang that don’t quite fit the picture.
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“The signal was getting stronger with time and we don’t know what would cause that,” he said.
“Having said that, the evidence for the fingerprint of gravitational waves from all of the collaborations is quite promising.”
While Murriyang has been looking for pulsars for 20 years it is not as sensitive as other much larger telescopes used by other groups such as NANOGrav to detect more pulsars.
Even all the combined measurements to date are not quite “the smoking gun” astronomers need to categorically say the signal is caused by gravitational waves.
“We’re not quite at a detection stage yet. And the reason is that this signal is expected to emerge slowly with time,” Dr Reardon said.
What happens next?
It’s time to crunch some more data.
The 190 scientists from Australia, Europe, India and North America will combine their datasets as part of the International Pulsar Timing Array to see if a stronger pattern emerges.
Dr Reardon is optimistic about finding the answer relatively soon.
“I think it would happen within one year,” he said.
Posted 8h ago8 hours ago, updated 7h ago
