パルサーのタイミングの不規則性により、隠された重力波の背景が明らかに – Physics World

宇宙は、超大質量ブラック ホールのペアによって放出された重力波の背景の混乱によって波打っています。 これは、複数の電波天文学者チームによって行われた数年分のパルサー観測によるものです。

研究チームは、アフリカ、アジア、オーストラリア、ヨーロッパ、米国の電波望遠鏡を利用して、ミリ秒パルサーからの電波ビームのタイミングの微妙な変化を監視する革新的な技術を開拓しました。

ミリ秒パルサーは、自然界で最も正確な時計の XNUMX つであり、間違いのない精度で XNUMX 秒間に何百回も電波パルスを点滅させる回転中性子星です。 重力波が私たちと銀河系のパルサーの間の空間を波打つと、重力波が私たちに到達するまでに伝わる距離がサッカー場のサイズほど歪められます。

その結果、パルサーのパルスはわずかに早くまたはわずかに遅く地球に到着し、パルスのタイミングの変動はXNUMX億分のXNUMX秒に達し、ナノヘルツ領域の周波数の重力波に相当します。

これは、観測された重力波現象よりもはるかに低い周波数です。 LIGO および 乙女座5 ～ 20 Hz の範囲です。 これらの背景重力波の対応する波長は非常に大きく、波のピークからピークまでの距離は 000 ～ 10 光年です。

複数の検出

の場合 ヨーロッパのパルサー タイミング アレイ (EPTA) には、フランス、ドイツ、イタリア、オランダ、英国の XNUMX つの主要な電波天文台が組み込まれており、その新しい結果には XNUMX 年以上に相当する観測が含まれています。 オーストラリア、中国、南アフリカ、米国のチームもパルサーのタイミングデータを同時に公開した。

「私たちは皆、基本的に同じものを見ています。」 マイケルキース マンチェスター大学とEPTAの研究者が語った。 物理学の世界。 「それは確かに励みになります。」

私たちが見ているのはノイズの背景であり、あらゆる場所からの重力波が常に地球上に押し寄せています。

マイケルキース

そして誰もが見ているのは、遠く離れた銀河系外の源から発せられた、互いに重なり合う無数の重力波です。 波が次々と重なってビーチに打ち寄せる様子を想像してください。

キース氏は、これらの発見は、中性子星や恒星質量ブラックホールの合体から生じるLIGOで観測された別個の現象とは異なると強調する。

「私たちが見ているのは、あらゆる場所からの重力波が常に地球上に押し寄せているノイズの背景です。」

古いデータのパズル

ただし、この発見には注意が必要です。 以前は、 インターナショナル パルサー タイミング アレイ (IPTA)は、これらの検出に取り組んでいる世界中のさまざまなグループの統括組織であり、検出を確認するための基準を定めていました。

「少し気まずいのは、誰も IPTA が定めた閾値に達していないと思われることです」とキース氏は言います。 「しかし、私たちは証拠にかなりの自信を持っています。」

新しい窓と宇宙の新しい見方が開かれます

マイケルキース

重力波背景の検出が本物であると仮定すると、重力波は連星の超大質量ブラック ホールから放射されており、このタイプは銀河の中心で見つかると予想されています。 銀河の合体が起こると XNUMX つの超大質量ブラックホールができますが、親銀河がそうであるように、最終的には超大質量ブラックホールも合体します。

これが起こると、彼らはより高い周波数でより強力な重力波を放出し、宇宙ベースの探査機で検出できるようになります。 レーザー干渉計宇宙アンテナ (LISA)、これは2030年代に打ち上げられるミッションの提案です。

パルサーを使った重力波の探知

インドと日本の科学者と協力して研究したEPTAチームも不可解な点を発見した。 彼らの望遠鏡は 1990 年代からパルサーを観測し、タイミングを測っていましたが、重力波信号は最新の 10 年間のデータセットで最も強かったです。 データ全体が追加されると、信号は消えていきました。

「データをさらに追加しても状況が悪化するはずはありません」と Keith 氏は言います。 「これは私たちにとって少し心配なことです。」

考えられる説明の XNUMX つは、より最近のデータはより高度な観測技術とテクノロジーを使用して収集されたものであり、比較して以前のデータは品質が低く、ノイズが多かったということです。 ただし、当時は信号が実際に弱かったことを意味する可能性もあります。

「私たちが見ているのは、時間の経過とともに変化する重力波信号であることが判明する可能性があるため、非常に興味深い可能性があります」とキース氏は言う。

エキゾチックな宇宙の窓

EPTA は、銀河内で最も明るく、最も安定した 25 個のミリ秒パルサーの研究に基づいたデータを作成しました。 米国チームは、 NANOGrav物理フロンティアセンター には、67 年間にわたって観測された 15 個のパルサーというより大きなサンプルがあったため、残念ながら EPTA と比較できる古いデータセットがありません。

いずれにせよ、背景の重力波の量は、数百万とは言わないまでも数十万のペアを持つ、宇宙に巨大な連星超大質量ブラックホールの集団があることを示唆しています。 これは、銀河が他の銀河と合体して成長するという銀河の階層的形成モデルの強力な証拠となります。

次のステップは、背景を精査して特定の重力波を識別し、その発生源まで遡ってデータを光の電磁領域での観測と組み合わせることができるようにすることです。 この新たなフロンティアでは、新たな予期せぬ発見が起こる可能性もあります。

「今後数年間は、エキゾチックな世界で歓迎されるだろうと思います」とキースは言います。 「それは新しい窓を開き、宇宙に対する新しい見方を開きます。」

EPTA の結果は次の書籍に掲載されています。 天文学と天体物理学。 NANOGrav の調査結果は、 天体物理学ジャーナルの手紙。 中国のパルサー タイミング アレイからのデータは、 での研究 天文学と天体物理学。 オーストラリアのパークス パルサー タイミング アレイは、その結果を次の論文で発表しました。 天体物理学ジャーナルの手紙 および オーストラリア天文学会の出版物.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/pulsar-timing-irregularities-reveals-hidden-gravitational-wave-background/