Гравитационно-волновой фон (ГВФ): прорыв в прямом обнаружении

Гравитационная волна was directly detected for the first time in 2015 after a century of its prediction by Einstein’s General Theory of Relativity in 1916. But, the continuous, low frequency Gravitational-wave Background (GWB) that is thought to be present throughout the вселенная has not been detected directly so far. The researchers at North American Nanohertz Observatory for Гравитационные волны (NANOGrav) have recently reported detection of a low-frequency signal that could be ‘Gravitational-wave Background (GWB)’.   

Общая теория относительности, предложенная Эйнштейном в 1916 году, предсказывает, что крупные космические события, такие как сверхновая звезда или слияние черных дыр должен производить гравитационные волны которые распространяются через Вселенная. Earth should be awash with гравитационные волны from all directions all the time but these are undetected because they become extremely weak by the time they reach earth. It took about a century to make a direct detection of gravitational ripples when in 2015 LIGO-Virgo team was successful in detecting гравитационные волны produced due to merger of two черных дыр situated at a distance of 1.3 billion light-years from the Earth ⁽¹⁾. Это также означало, что обнаруженная рябь была источником информации о космическом событии, которое произошло около 1.3 миллиарда лет назад.  

С момента первого обнаружения в 2015 году большое количество гравитационная рябь have been recorded till date. Most of them were due to merger of two черных дыр, few were due to collision of two neutron stars ⁽²⁾. All detected гравитационные волны so far were episodic, caused due to binary pair of черных дыр or neutron stars spiralling and merging or colliding with each other ⁽³⁾ и были высокочастотными, коротковолновыми (в диапазоне миллисекунд).   

However, since there is possibility of large number of sources of гравитационные волны в вселенная hence many гравитационные волны together from all over the вселенная may be continuously passing through the earth all the time forming a background or noise. This should be continuous, random and of low frequency small wave. It is estimated that some part of it may even have originated from the Big Bang. Called Gravitational-wave Background (GWB), this has not been detected so far ⁽³⁾.  

But we may be on the verge of a breakthrough – the researchers at the North American Nanohertz Observatory for Гравитационные волны (NANOGrav) have reported detection of a low-frequency signal that could be ‘Gravitational-wave Background (GWB) ^(4,5,6).  

Unlike LIGO-virgo team who detected гравитационная волна from individual pairs of черных дыр, NANOGrav team have looked for persistent, noise like, ‘combined’ гравитационная волна created over very long period of time by countless blackholes в вселенная. The focus was on ‘very long wavelength’ гравитационная волна at the other end of ‘gravitational wave spectrum’.

В отличие от света и других электромагнитных излучений, гравитационные волны нельзя наблюдать непосредственно в телескоп.  

Команда NANOGrav выбрала миллисекунды пульсары (MSP), которые вращаются очень быстро с долговременной стабильностью. Из этих генераторов импульсов исходит устойчивый образец света, который должен изменяться гравитационной волной. Идея заключалась в том, чтобы наблюдать и контролировать ансамбль ультрастабильных миллисекундных пульсаров (MSP) на предмет коррелированных изменений во времени прибытия сигналов на Землю, создавая таким образом детектор гравитационных волн «размером с галактику» в нашей собственной галактике. Команда создала массив хронометража пульсаров, изучив 47 таких пульсаров. Обсерватория Аресибо и телескоп Грин-Бэнк были радиотелескопами, использованными для измерений.   

Набор данных, полученных к настоящему времени, включает 47 MSP и более 12.5 лет наблюдений. Исходя из этого, невозможно окончательно доказать прямое обнаружение GWB, хотя обнаруженные низкочастотные сигналы в значительной степени указывают на это. Возможно, следующим шагом будет включение большего количества пульсаров в массив и их изучение в течение более длительного периода времени для повышения чувствительности.  

изучить вселенная, scientists were exclusively dependant on electromagnetic radiations like light, X-ray, radio wave etc. Being completely unrelated to electromagnetic radiation, detection of gravitational in 2015 opened a new window of opportunity to scientists to study celestial bodies and understanding the вселенная especially those celestial events which are invisible to electromagnetic astronomers. Further, unlike electromagnetic radiation, gravitational waves do not interact with matter hence travel virtually unimpeded carrying information about their origin and source free of any distortion.⁽³⁾

Detection of Gravitational-wave Background (GWB) would broaden the opportunity further. It may even become possible to detect the waves generated from Big Bang which may help us understand origin of вселенная лучше.

Ссылки:  

1. Кастельвекки Д., Витце А., 2016. Наконец-то нашли гравитационные волны Эйнштейна. Новости природы 11 февраля 2016 г. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Кастельвекки Д., 2020. Что 50 гравитационно-волновых событий говорят о Вселенной. Новости природы опубликованы 30 октября 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Источники и типы гравитационных волн. Доступно в Интернете по адресу https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Доступ 12 января 2021 г. 

4. Сотрудничество «НАНОГрав», 2021. «НАНОГрав» обнаруживает возможные «первые подсказки» низкочастотного фона гравитационных волн. Доступно в Интернете по адресу http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Доступ 12 января 2021 г. 

5. Сотрудничество NANOGrav 2021. Пресс-брифинг - Поиск гравитационно-волнового фона через 12.5 лет данных NANOGrav. 11 января 2021 г. Доступно на сайте http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Арзуманян З. и др., 2020. Набор данных NANOGrav за 12.5 лет: поиск изотропного стохастического гравитационно-волнового фона. Письма в астрофизическом журнале, том 905, номер 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401