เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงขนาดกาแล็กซีเผยให้เห็น 'ฮอตสปอต' ของกิจกรรม

ใช้ที่ใหญ่ที่สุดเครื่องตรวจจับที่เคยสร้างมา เราได้ยืนยันรายงานก่อนหน้านี้ว่าโครงสร้างของจักรวาลสั่นสะเทือนอยู่ตลอดเวลา เสียงดังก้องในพื้นหลังนี้น่าจะเกิดจากการชนกันระหว่างวัตถุขนาดมหึมาที่อยู่ในใจกลางของกาแล็กซี

ผลลัพธ์จากเครื่องตรวจจับของเรา ซึ่งเป็นกลุ่มดาวนิวตรอนหมุนเร็วที่กระจายไปทั่วกาแลคซี แสดงให้เห็นว่า 'พื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วง' อาจดังกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ นอกจากนี้เรายังได้สร้างแผนที่ที่มีรายละเอียดมากที่สุดอีกด้วยข้ามท้องฟ้าและพบ 'จุดที่น่าสนใจ' ของกิจกรรมในซีกโลกใต้

ของเราวิจัยเป็นที่ตีพิมพ์วันนี้ในเอกสารสามฉบับในประกาศรายเดือนของ Royal Astronomical Society-

ระลอกคลื่นในอวกาศและเวลา

คลื่นความโน้มถ่วงเป็นระลอกคลื่นในโครงสร้างของอวกาศและเวลา พวกมันถูกสร้างขึ้นเมื่อมีวัตถุที่มีความหนาแน่นและใหญ่มากโคจรหรือชนกัน

วัตถุที่หนาแน่นและมีมวลมากที่สุดในจักรวาลคือหลุมดำ ซึ่งเป็นเศษซากของดาวฤกษ์ที่ตายแล้ว วิธีเดียวในการศึกษาหลุมดำคือการค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงที่พวกมันปล่อยออกมาเมื่อพวกมันเคลื่อนที่ใกล้กัน

เช่นเดียวกับแสง คลื่นความโน้มถ่วงถูกปล่อยออกมาในสเปกตรัม หลุมดำที่มีมวลมากที่สุดปล่อยคลื่นที่ช้าที่สุดและทรงพลังที่สุด แต่ในการศึกษาพวกมัน เราจำเป็นต้องมีเครื่องตรวจจับขนาดเท่ากาแลคซีของเรา

คลื่นความโน้มถ่วงความถี่สูงที่เกิดจากการชนกันระหว่างหลุมดำที่มีขนาดค่อนข้างเล็กสามารถตรวจจับได้ด้วยเครื่องตรวจจับที่อิงพื้นโลก และถูกค้นพบครั้งแรกในปี พ.ศ. 2558 อย่างไรก็ตามหลักฐานสำหรับการมีอยู่ของคลื่นที่ช้ากว่าและทรงพลังกว่านั้นก็ไม่พบจนกระทั่งปีที่แล้ว

นักดาราศาสตร์หลายกลุ่มทั่วโลกได้รวบรวมเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงระดับกาแล็กซีโดยการสังเกตพฤติกรรมของกลุ่มดาวฤกษ์บางประเภทอย่างใกล้ชิด การทดลองของเราคืออาร์เรย์ไทม์มิ่ง MeerKAT Pulsarเป็นเครื่องตรวจจับขนาดกาแลคซีที่ใหญ่ที่สุด

วันนี้เราได้ประกาศหลักฐานเพิ่มเติมเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำ แต่มีความแตกต่างที่น่าสนใจจากผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ ในเวลาเพียงหนึ่งในสามของการทดลองอื่นๆ เราพบสัญญาณที่บอกเป็นนัยถึงจักรวาลที่มีการเคลื่อนไหวมากกว่าที่คาดไว้

นอกจากนี้เรายังสามารถทำแผนที่สถาปัตยกรรมจักรวาลที่ทิ้งไว้ข้างหลังด้วยการรวมกาแลคซีได้แม่นยำมากขึ้นกว่าเดิม

หลุมดำ กาแล็กซี และพัลซาร์

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า ณ ใจกลางกาแลคซีส่วนใหญ่ มีวัตถุขนาดใหญ่ที่เรียกว่ามวลมหาศาลอาศัยอยู่- แม้จะมีมวลมหาศาล - พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ของเรา - ยักษ์จักรวาลเหล่านี้ก็ยากที่จะศึกษา

นักดาราศาสตร์รู้จักหลุมดำมวลมหาศาลมานานหลายทศวรรษ แต่มีเพียงหลุมดำที่สังเกตการณ์โดยตรงเท่านั้นเป็นครั้งแรกในปี 2562-

เมื่อกาแลคซีสองแห่งมาบรรจบกัน หลุมดำที่ใจกลางของมันจะเริ่มหมุนวนเข้าหากัน ในกระบวนการนี้พวกมันส่งคลื่นความโน้มถ่วงที่ทรงพลังช้าๆ ออกมาซึ่งทำให้เรามีโอกาสศึกษาพวกมัน

เราทำสิ่งนี้โดยใช้วัตถุจักรวาลที่แปลกใหม่อีกกลุ่มหนึ่ง:พัลซาร์- เหล่านี้เป็นดาวฤกษ์ที่มีความหนาแน่นสูงมากซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยนิวตรอน ซึ่งอาจมีขนาดประมาณเมืองหนึ่งแต่หนักเป็นสองเท่าของดวงอาทิตย์

หมุนหลายร้อยครั้งต่อวินาที ขณะที่พวกมันหมุนรอบตัว พวกมันจะทำหน้าที่เหมือนประภาคาร พุ่งชนโลกด้วยคลื่นรังสีจากระยะไกลหลายพันปีแสง สำหรับพัลซาร์บางตัว เราสามารถคาดเดาได้ว่าเมื่อใดที่พัลส์นั้นจะกระทบเราภายในนาโนวินาที

เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงของเราใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงนี้ หากเราสังเกตพัลซาร์จำนวนมากในช่วงเวลาเดียวกัน และเราผิดว่าพัลซาร์กระทบเราด้วยวิธีใดลักษณะหนึ่งโดยเฉพาะ เราจะรู้ว่าคลื่นความโน้มถ่วงกำลังยืดหรือบีบช่องว่างระหว่างโลกกับพัลซาร์

อย่างไรก็ตาม แทนที่จะเห็นคลื่นลูกเดียว เราคาดหวังว่าจะได้เห็นมหาสมุทรจักรวาลที่เต็มไปด้วยคลื่นที่สลับซับซ้อนในทุกทิศทาง ซึ่งเป็นเสียงสะท้อนของการควบรวมกาแลคซีทั้งหมดในประวัติศาสตร์ของจักรวาล เราเรียกสิ่งนี้ว่าพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วง

สัญญาณที่ดังอย่างน่าประหลาดใจ – และ 'ฮอตสปอต' ที่น่าสนใจ

ในการตรวจจับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วง เราใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุเมียร์แคตในแอฟริกาใต้ MeerKAT เป็นหนึ่งในกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ไวที่สุดในโลก

เป็นส่วนหนึ่งของเมียร์แคตTiming Array ได้สำรวจกลุ่มพัลซาร์ 83 ดวงมาเป็นเวลาประมาณห้าปี โดยวัดได้อย่างแม่นยำว่าพัลซาร์ของพวกมันมาถึงโลกเมื่อใด สิ่งนี้ทำให้เราพบรูปแบบที่เกี่ยวข้องกับพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วง เพียงแต่แตกต่างไปจากการทดลองอื่นๆ เล็กน้อย

รูปแบบซึ่งแสดงให้เห็นว่าอวกาศและเวลาระหว่างโลกกับพัลซาร์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรโดยคลื่นความโน้มถ่วงที่ผ่านระหว่างทั้งสองนั้น มีพลังมากกว่าที่คาดไว้

นี่อาจหมายความว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลโคจรรอบกันและกันมากกว่าที่เราคิด หากเป็นเช่นนั้น สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามมากขึ้น เนื่องจากทฤษฎีที่มีอยู่ของเราแนะนำว่าควรมีหลุมดำมวลมหาศาลน้อยกว่าที่เราเคยเห็น

ขนาดของเครื่องตรวจจับของเราและความไวของกล้องโทรทรรศน์เมียร์แคต หมายความว่าเราสามารถประเมินพื้นหลังได้อย่างแม่นยำอย่างยิ่ง สิ่งนี้ทำให้เราสามารถสร้างแผนที่ที่มีรายละเอียดมากที่สุดของพื้นหลังของคลื่นความโน้มถ่วงจนถึงปัจจุบัน การทำแผนที่พื้นหลังด้วยวิธีนี้ถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการทำความเข้าใจสถาปัตยกรรมจักรวาลของจักรวาลของเรา

มันอาจนำเราไปสู่แหล่งกำเนิดสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เราสังเกตได้ในที่สุด แม้ว่าเราคิดว่าพื้นหลังน่าจะเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของหลุมดำขนาดมหึมาเหล่านี้ แต่ก็อาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงในจักรวาลยุคแรกๆ ที่มีพลังมากตามมา– หรือบางทีอาจจะเป็นเหตุการณ์ที่แปลกใหม่มากกว่านั้นด้วยซ้ำ

แผนที่ที่เราสร้างขึ้นแสดงให้เห็นจุดที่น่าสนใจของกิจกรรมคลื่นความโน้มถ่วงในท้องฟ้าซีกโลกใต้ ความผิดปกติประเภทนี้สนับสนุนแนวคิดเรื่องพื้นหลังที่สร้างขึ้นโดยหลุมดำมวลมหาศาลมากกว่าทางเลือกอื่นๆ

อย่างไรก็ตาม การสร้างเครื่องตรวจจับขนาดกาแลกติกนั้นซับซ้อนอย่างไม่น่าเชื่อ และยังเร็วเกินไปที่จะบอกว่านี่เป็นของแท้หรือเป็นความผิดปกติทางสถิติ

เพื่อยืนยันการค้นพบของเรา เรากำลังดำเนินการรวมข้อมูลใหม่ของเราเข้ากับผลลัพธ์จากความร่วมมือระหว่างประเทศอื่นๆ ภายใต้ร่มธงของอาร์เรย์ไทม์มิ่งพัลซาร์นานาชาติ-

แมทธิว ไมล์ส, นักวิจัยหลังปริญญาเอกสาขาวิชาดาราศาสตร์ฟิสิกส์,มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสวินเบิร์นและโรวีนา นาธาน, นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์,มหาวิทยาลัยโมนาช

บทความนี้เผยแพร่ซ้ำจากการสนทนาภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่านบทความต้นฉบับ-