موجات الجاذبية، تموجات في نسيج الزمكان الذي تنبأ به ألبرت أينشتاين منذ أكثر من قرن ، تتغلغل في الكون بترددات منخفضة ، وفقًا لمشروع مؤسسة العلوم الوطنية متعدد السنوات بقيادة علماء جامعة ولاية أوريغون.

تظهر النتائج في مجموعة من أربع أوراق بحثية كتبها باحثون من NANOGrav Physics Frontier Center بالاشتراك مع Xavier Siemens ، أستاذ الفيزياء في كلية العلوم بجامعة ولاية أوهايو.

نُشِر الدليل على موجات الجاذبية ، التي تُقاس اهتزازاتها بالسنوات والعقود ، هذا الأسبوع في مجلة The Astrophysical Journal Letters.

قال سيمنز: « في السعي المستمر لتعزيز المعرفة والفهم البشريين ، تعد هذه خطوة مهمة حقًا على طول الرحلة ».

NANOGrav ، والتي تعني مرصد نانوهيرتز لأمواج الجاذبية في أمريكا الشمالية، هو تعاون دولي لما يقرب من 200 باحث في الفيزياء الفلكية تتمثل مهمتهم في استخدام توقيت النجم النابض الراديوي للبحث عن موجات الجاذبية منخفضة التردد.

كزافييه سيمنز ، إلى اليسار ، وجيفري حزبون من كلية العلوم بجامعة أوهايو.

قال عالم الفيزياء الفلكية في جامعة ولاية أوهايو ، جيف حزبون ، إن اكتشاف « جوقة » من موجات الجاذبية منخفضة التردد ، كما فعل NANOGrav ، هو مفتاح لفك ألغاز كيفية تشكل الهياكل في الكون.

قال حزبون: « لقد فتحنا منطقة الطيف الجديدة هذه أمام موجات الجاذبية ». « لقد رأينا موجات منخفضة التردد ، من جزء مختلف تمامًا من الطيف ، مما يخبرنا أنها ظاهرة فيزيائية في كل مكان ويمكننا البحث عنها في أي مكان. »

تم ملاحظة موجات الجاذبية لأول مرة في عام 2015 بواسطة مرصد مقياس التداخل بالليزر لموجات الجاذبية أو LIGO.

كان اكتشاف تلك الموجات ، بترددات تبلغ حوالي 100 دورة في الثانية ، حدثًا بارزًا في الفيزياء وعلم الفلك. لقد أكد أحد التنبؤات الرئيسية لنظرية النسبية لأينشتاين وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء لمؤسسي LIGO.

النجوم النابضة هي بقايا تدور بسرعة لنجوم ضخمة انفجرت على شكل مستعرات عظمى. يرسلون نبضات من موجات الراديو بشكل منتظم للغاية ، وتعرف مجموعة منها بمصفوفة توقيت النجم النابض ، أو PTA.

قال سيمنز أنه تم استخدام ثمانية وستين نجمًا نابضًا لجمع الأدلة على أن مجرة ​​درب التبانة مغمورة في بحر من موجات الجاذبية منخفضة التردد.

تنبأت نظرية النسبية العامة لأينشتاين عام 1915 بالكيفية التي يجب أن تؤثر بها موجات الجاذبية على إشارات النجوم النابضة: من خلال شد نسيج الزمكان والضغط عليه ، يجب أن تغير موجات الجاذبية توقيت كل نبضة بطريقة يمكن التنبؤ بها ، مما يؤخر بعض النبضات بينما تسرع الأخرى.

قال سيمنز: « لقد مكننا العدد الكبير من النجوم النابضة المستخدمة في تحليل NANOGrav من رؤية ما نعتقد أنه العلامات الأولى لنمط الارتباط الذي تنبأت به النسبية العامة ». « يمكننا استخدام تلك النجوم النابضة عندما تنتشر الساعات في السماء ، ويمكننا أن نرى كيف يتغير دقات الساعات من موجات الجاذبية التي تمر عبر مجرتنا. »

بدأ NANOGrav في عام 2007 وبعد ثماني سنوات تم إطلاقه كمركز حدود الفيزياء بمنحة قدرها 14.5 مليون دولار من مؤسسة العلوم الوطنية عندما كانت شركة سيمنز في جامعة ويسكونسن – ميلووكي.

انضمت شركة سيمنز إلى جامعة ولاية أوهايو في عام 2019 ، وبعد ذلك بعامين ، منحت NSF NANOGrav مبلغًا إضافيًا قدره 17 مليون دولار على مدار خمس سنوات للبحث عن إشارات موجات الجاذبية باستخدام تلسكوب جرين بانك في ولاية فرجينيا الغربية ، والمصفوفة الكبيرة جدًا في نيو مكسيكو ومرصد أريسيبو في بورتوريكو.

قالت شركة سيمنز إن OSU تتلقى حوالي 600000 دولار سنويًا في تمويل NANOGrav ، مع تحليل البيانات باعتباره الدور الأساسي لولاية أوريغون بالإضافة إلى قيادة المشروع وإدارته.

شارك في الإخراج ماورا ماكلولين ، عالمة الفلك في جامعة وست فرجينيا ، يجمع NANOGrav جهود الباحثين في 18 جامعة ، بما في ذلك ما يقرب من 20 طالبًا جامعيًا وخريجًا في ولاية أوريغون.

قالت Phia Morton من Bend ، وهي طالبة أولى في الفيزياء التطبيقية والهندسة النووية: « إن البحث عن موجات الجاذبية يشبه تجميع اللغز: كل شخص لديه قطعة خاصة به ، لكنهم جميعًا يتلاءمون معًا ». « من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن الاختراقات العلمية تأتي من عبقري وحيد. على العكس من ذلك ، تتطلب المشاريع العلمية واسعة النطاق قدرًا هائلاً من التعاون ويؤمن كل من يشارك بأهداف المجموعة « .

يساهم مورتون وغيره من الطلاب الجامعيين في جامعة ولاية أوهايو من خلال البحث عن النجوم النابضة الجديدة لإضافتها إلى مصفوفة NANOGrav ؛ وتوضح أنه كلما زاد عدد النجوم النابضة الموجودة تحت تصرفها ، زادت حساسية اكتشاف الموجات الثقالية.

قال ماكلولين: « النجوم النابضة هي في الواقع مصادر راديوية خافتة جدًا ، لذلك نحتاج إلى آلاف الساعات سنويًا على أكبر تلسكوبات في العالم لإجراء هذه التجربة ». « أصبحت هذه النتائج ممكنة من خلال التزام مؤسسة العلوم الوطنية المستمر بهذه المراصد الراديوية الحساسة للغاية. »

اكتشف باحثون مع LIGO ، وهو أيضًا تعاون دولي ممول من NSF ، في عام 2015 موجات الجاذبية الناتجة عن تصادم ثقبين أسودين باستخدام مقاييس تداخل LIGO المزدوجة في ليفينغستون ، لويزيانا ، وهانفورد ، واشنطن.

قال حزبون إن موجات الجاذبية التي يمكن ملاحظتها بواسطة ليجو ، التي أنشأتها تلك الأنواع من « ثنائيات الثقب الأسود » ، لها ترددات تبلغ حوالي 100 هرتز.

قال: « يبحث NANOgrav عن موجات الجاذبية بترددات 11 مرة من حيث الحجم أقل من تلك التي يرصدها LIGO ».

يوضح سيمنز أن استخدام PTA لاكتشاف جوقة من إشارات موجات الجاذبية من عدة عمليات اندماج ثقوب سوداء ضخمة للغاية – الموصوفة كخلفية عشوائية لموجات الجاذبية – يحمل وعدًا لفهم الكون أكثر من اكتشاف موجة واحدة من تصادم ثنائي من ثقب أسود واحد.

قال: « كل إشارة تشبه نغمة ، ونحن لسنا بعد واحدة فقط من هذه النغمات – نريد أن نسمع الجوقة بأكملها ». « نريد أن نسمع الجوقة الجماعية لجميع ثنائيات الثقوب السوداء فائقة الكتلة التي تندمج في الكون. »

الثقوب السوداء فائقة الكتلة هي أكبر نوع من الثقوب السوداء ، وتبلغ كتلتها ملايين إلى مليارات المرات من كتلة الشمس ، وتوجد في مراكز المجرات.

يقول باحثو NANOGrav إن الدراسات المستقبلية للإشارات التي ترسلها الثقوب السوداء فائقة الضخامة ستمكن العلماء من رؤية الكون الموجي الثقالي من خلال نافذة جديدة ، مما يوفر نظرة ثاقبة للثقوب السوداء العملاقة التي تندمج في مراكز المجرات البعيدة وربما في مصادر غريبة أخرى لموجات الجاذبية منخفضة التردد.

قالت شركة سيمنز: « هذه مجرد بداية عملنا ».

مصدر: جامعة ولاية أوريغون