برای اولین بار، ستاره شناسان ممکن است صدای پس زمینه جهان را شنیده باشند

بر اساس آنچه درباره‌ی امواج گرانشی می‌دانیم، جهان باید مملو از این امواج باشد. هر جفت سیاه چاله یا ستاره نوترونی در حال برخورد، هر ابرنواختر فروپاشی هسته‌ای - حتی خود انفجار بزرگ - باید موج‌هایی را در طول فضازمان ارسال کرده باشند.

بعد از گذشت مدت زمان طولانی، این امواج ضعیف خواهند بود و یافتن آنها دشوار است، اما پیش‌بینی می‌شود که همه آنها یک "زمزمه" طنین‌انداز را دارند که در جهان ما نفوذ می‌کند که به عنوان پس زمینه موج گرانشی شناخته می‌شود و شاید ما اکنون اولین سرنخ را در این مورد یافته باشیم.

می‌توانید پس زمینه موج گرانشی را چیزی مانند طنین‌هایی در اثر حوادث عظیمی که در طول تاریخ جهان پشت سر گذاشته‌ایم، در نظر بگیرید که برای درک ما از کیهان بسیار ارزشمند هستند اما تشخیص آنها بسیار دشوار است.

جوزف سایمون از دانشگاه کلرادو بولدر با همکاری NANOGrav گفت: "دیدن اینکه چنین سیگنال قوی از داده‌ها بیرون می‌آید فوق العاده هیجان انگیز است. با این حال ، از آنجا که سیگنال موج گرانشی که در جستجوی آن هستیم، کل مدت مشاهدات ما را در بر می‌گیرد، بنابراین باید نویز خود را به دقت شناسایی کنیم. این امر ما را در موقعیتی بسیار جالب قرار می‌دهد، جایی که می‌توانیم برخی از منابع نویز شناخته شده را قویاً رد کنیم، اما هنوز نمی‌توانیم بگوییم که آیا سیگنال واقعاً از امواج گرانشی است یا خیر. برای این منظور، به داده‌های بیشتری نیاز خواهیم داشت."

با این وجود، جامعه‌ی علمی بسیار هیجان‌زده است. از زمان ارسال پیش‌چاپ این تحقیق به arXiv در سپتامبر سال گذشته، بیش از 80 مقاله با استناد به آن منتشر شده است.

تیم‌های بین‌المللی سخت تلاش کرده‌اند و داده‌ها را تجزیه و تحلیل کردند تا نتایج تیم را رد یا تأیید کنند. اگر معلوم شود که سیگنال واقعی است، می‌تواند مرحله جدیدی از نجوم موج گرانشی را آغاز کند و یا پدیده‌های اخترفیزیکی کاملا جدیدی را برای ما آشکار کند.

این سیگنال از مشاهدات نوعی ستاره‌ی مرده به نام تپ‌اختر به وجود می‌آید. آنها ستاره‌های نوترونی هستند که به گونه‌ای جهت‌گیری شده‌اند که هنگام چرخش با سرعت میلی‌ثانیه‌ای که قابل مقایسه با مخلوط کن آشپزخانه است، پرتوهای امواج رادیویی را از قطب خود منتشر می‌کنند.

این تشعشعات به طور باورنکردنی کاملاً دقیق زمان‌بندی شده‌اند، به این معنی که تپ‌اخترها احتمالاً مفیدترین ستاره‌های جهان هستند. از تغییرات در زمان‌بندی آنها می‌توان برای جهت‌یابی، کاوش در محیط بین ستاره‌ای و مطالعه‌ی گرانش استفاده کرد و همچنین از زمان کشف امواج گرانشی، ستاره شناسان از این تشعشات برای جستجوی این امواج نیز استفاده می‌کنند.

این به این دلیل است که امواج گرانشی هنگام انتشار، فضازمان را پیچ و تاب می‌دهند، که از نظر تئوری باید زمان‌بندی پالس‌های رادیویی داده شده توسط تپ‌اخترها را - فقط اندکی - تغییر دهد.

رایان شانون از دانشگاه صنعتی سوینبرن می‌گوید: "پس‌زمینه [موج گرانشی] باعث انبساط و انقباض فضازمان بین تپ‌اخترها و زمین می‌شود و باعث می‌شود که سیگنال‌های تپ‌اخترها کمی دیرتر (انبساط) یا زودتر (انقباض) از آنچه در صورت عدم وجود امواج گرانشی اتفاق می‌افتاد، رخ دهد"

یک تپ‌اختر تنها، با ضربان نامنظم لزوماً معنای زیادی ندارد. اما اگر کل یک دسته از تپ‌اخترها الگوی همبسته‌ی تغییر زمان را نشان دهند، این موضوع می‌تواند شواهدی از پس‌زمینه موج گرانشی باشد.

چنین مجموعه‌ای از تپ‌اخترها به عنوان یک آرایش زمان‌بندی تپ‌اختر شناخته می‌شود و این همان چیزی است که تیم NANOGrav مشاهده کرده است: 45 تا از پایدارترین تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای در کهکشان راه شیری.

آنها سیگنالی را که پس‌زمینه موج گرانشی را تأیید کند، کاملاً شناسایی نکرده‌اند، اما یک سیگنال "نویز معمولی" کشف کرده‌اند. از تپ‌اختر به تپ‌اختر متفاوت است، اما هر بار ویژگی‌های مشابهی را نشان می‌دهد. سایمون خاطرنشان کرد: این انحرافات منجر به تغییرات چند صد نانوثانیه‌ای در طول دوره 13 ساله‌ی مشاهدات شد.

موارد دیگری وجود دارد که می‌تواند این سیگنال را تولید کند. به عنوان مثال، یک آرایش زمان‌بندی تپ‌اختر باید از یک چارچوب مرجع تجزیه و تحلیل شود که شتابی ندارد، به این معنی که هر داده‌ای به جای زمین باید به مرکز منظومه شمسی، معروف به باریسانتر منتقل شود.

محاسبه‌ی مرکز منظومه شمسی چیزی پیچیده‌تر از آنچه به نظر می‌رسد است، زیرا مرکز جرم همه اجسام متحرک در منظومه شمسی است و اگر دقیق محاسبه نشود، ممکن است یک سیگنال غلط دریافت کنید. سال گذشته، تیم NANOGrav اعلام کرد که آنها مرکز منظومه شمسی را تا 100 متری (328 فوت) محاسبه می‌کنند.

هنوز این احتمال وجود دارد که این تفاوت، منبع سیگنالی باشد که آنها پیدا کرده‌اند و برای حل این مسئله باید کار بیشتری انجام شود.

زیرا اگر سیگنال واقعاً از برخی از تشعشعات موج گرانشی باشد، این یک مشکل بزرگ خواهد بود، زیرا منبع این پس زمینه امواج گرانشی احتمالاً سیاهچاله‌های عظیم (SMBH) هستند.

از آنجا که امواج گرانشی پدیده‌هایی را به ما نشان می‌دهند که نمی‌توانیم از طریق الکترومغناطیسی تشخیص دهیم - مثلا برخورد سیاهچاله‌ها - این موضوع می‌تواند به حل معضلاتی مانند مسئله پارسک نهایی، که باعث می‌شود سیاهچاله‌های بزرگ نتوانند ادغام شوند و همچنین در درک بهتر تکامل و رشد کهکشانی به ما کمک می‌کند.

حتی ممکن است بتوانیم امواج گرانشی را که درست پس از انفجار بزرگ تولید شده‌اند، شناسایی کنیم و دریچه‌ای منحصر به فرد به اوایل جهان بدست آوریم. اما رسیدن به آن نقطه، دانش زیادی می‌طلبد.

شانون گفت: "این اولین قدم احتمالی به سمت تشخیص موج گرانشی فرکانس نانوهرتز است. من به مردم و دانشمندان توصیه می‌کنم که نتایج را بیش از حد تفسیر نکنند. فکر می‌کنم طی یکی دو سال آینده شواهدی در مورد ماهیت سیگنال بدست آید."

تیم‌های دیگر نیز در حال کار بر روی استفاده از آرایش‌های زمان‌بندی تپ‌اخترها برای تشخیص امواج گرانشی هستند.

سایمون می‌گوید: "دیدن اینکه چنین سیگنال قوی از داده‌های ما بیرون می‌آید بسیار هیجان‌انگیز است، اما جالب‌ترین چیز برای من گام‌های بعدی است.

هنوز برای دستیابی به یک تشخیص قطعی بیشتر باید تلاش کنیم، این تنها اولین قدم است. فراتر از آن، ما این فرصت را داریم که منبع پس زمینه امواج گرانشی را دقیقاً مشخص کنیم و کشف کنیم که آنها چه چیزی در مورد جهان می‌توانند به ما بگویند."

تحقیقات این تیم در The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است.

# نجوم # ستاره‌شناسی # تپ اختر میلی ثانیه ای # ستاره نوترونی # موج گرانشی # پس زمینه موج گرانشی # تپ اختر # فضازمان