Гравитационно-волновой фон
| Часть серии о |
| Физическая космология |
|---|
 |
Фон гравитационных волн (также GWB и стохастический фон ) представляет собой случайный фон гравитационных волн, пронизывающих Вселенную , который можно обнаружить с помощью гравитационно-волновых экспериментов, таких как массивы времени пульсаров . [1] Сигнал может быть по своей сути случайным, как от случайных процессов в ранней Вселенной, или может быть произведен некогерентной суперпозицией большого количества слабых независимых неразрешенных источников гравитационных волн, таких как сверхмассивные двойные черные дыры. Обнаружение фона гравитационных волн может предоставить информацию, недоступную любыми другими способами, об астрофизических источниках, таких как гипотетические древние сверхмассивные двойные черные дыры, и о процессах ранней Вселенной, таких как гипотетическая первичная инфляция и космические струны . [2]
стохастического фона Источники
Предполагается, что несколько потенциальных источников фона находятся в различных представляющих интерес диапазонах частот, причем каждый источник создает фон с разными статистическими свойствами. Источники стохастического фона можно условно разделить на две категории: космологические источники и астрофизические источники.
Космологические источники [ править ]
Космологические предпосылки могут возникать из нескольких источников ранней Вселенной. Некоторые примеры этих первичных источников включают изменяющиеся во времени инфляционные скалярные поля в ранней Вселенной, механизмы «предварительного нагрева» после инфляции , включающие передачу энергии от частиц инфлатона к обычной материи, космологические фазовые переходы в ранней Вселенной (такие как электрослабый фазовый переход), космические струны и т. д. Хотя эти источники более гипотетические, обнаружение исходного фона гравитационных волн от них стало бы крупным открытием новой физики и оказало бы глубокое влияние на космологию ранней Вселенной и физику высоких энергий . [3] [4]
Астрофизические источники [ править ]
Астрофизический фон создается совокупным шумом многих слабых, независимых и неразрешенных астрофизических источников. [2] Например, ожидается, что астрофизический фон от слияний двойных черных дыр звездных масс станет ключевым источником стохастического фона для нынешнего поколения наземных детекторов гравитационных волн. Детекторы LIGO и Virgo уже зарегистрировали отдельные гравитационно-волновые явления в результате таких слияний черных дыр. Однако будет большая совокупность таких слияний, которые невозможно будет разрешить по отдельности, что приведет к появлению случайного шума в детекторах. Другие астрофизические источники, не поддающиеся индивидуальному разрешению, также могут образовывать фон. Например, достаточно массивная звезда на заключительном этапе своей эволюции коллапсирует с образованием либо черной дыры , либо нейтронной звезды — в результате быстрого коллапса в последние моменты взрыва сверхновой , который может привести к таким образованиям, гравитационным волнам. теоретически может быть освобожден. [5] [6] Также в быстро вращающихся нейтронных звездах существует целый класс нестабильностей, вызванных излучением гравитационных волн. [ нужна цитата ]
Характер источника также зависит от чувствительной полосы частот сигнала. Текущее поколение наземных экспериментов, таких как LIGO и Virgo, чувствительно к гравитационным волнам в звуковом диапазоне частот примерно от 10 Гц до 1000 Гц. В этом диапазоне наиболее вероятным источником стохастического фона будет астрофизический фон от слияний двойных нейтронных звезд и двойных черных дыр звездной массы. [7]
Альтернативным средством наблюдения является использование временных решеток пульсаров (PTA). Три консорциума — Европейская система синхронизации пульсаров (EPTA), Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) и Система синхронизации пульсаров Паркса (PPTA) — координируют свои действия как Международная система синхронизации пульсаров . Они используют радиотелескопы для наблюдения за галактическим массивом миллисекундных пульсаров, которые образуют детектор галактического масштаба, чувствительный к гравитационным волнам с низкими частотами в диапазоне от наногерц до 100 наногерц. При использовании существующих телескопов для обнаружения сигнала необходимы многие годы наблюдений, а чувствительность детектора постепенно улучшается. Границы чувствительности приближаются к ожидаемым для астрофизических источников. [8]
Сверхмассивные черные дыры с массой 10 5 –10 9 Солнечные массы находятся в центрах галактик. Неизвестно, что появилось раньше: сверхмассивные черные дыры или галактики, и как они развивались. Ожидается, что когда галактики сливаются, их центральные сверхмассивные черные дыры тоже сливаются. [9] Эти сверхмассивные двойные системы потенциально производят самые громкие низкочастотные сигналы гравитационных волн; наиболее массивные из них являются потенциальными источниками наногерцового гравитационно-волнового фона, который в принципе обнаруживается с помощью ФТА . [10]
Обнаружение [ править ]
11 февраля 2016 года коллаборации LIGO и Virgo объявили о первом прямом обнаружении и наблюдении гравитационных волн, которое состоялось в сентябре 2015 года. В этом случае две черные дыры столкнулись, создав обнаруживаемые гравитационные волны. Это первый шаг к потенциальному обнаружению GWB. [13] [14]
28 июня 2023 года Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн объявила о доказательствах GWB, используя данные наблюдений массива миллисекундных пульсаров . [15] [16] Наблюдения от EPTA , [17] Обсерватория Паркса [18] и китайская система синхронизации пульсаров (CPTA) [19] [20] были также опубликованы в тот же день, обеспечивая перекрестную проверку доказательств GWB с использованием различных телескопов и методов анализа. [21] Эти наблюдения обеспечили первое измерение теоретической кривой Хеллингса-Даунса , т. е. квадруполярной корреляции между двумя пульсарами в зависимости от их углового разделения на небе, что является красноречивым признаком гравитационно-волнового происхождения наблюдаемого фона. [22] Источники этого гравитационно-волнового фона не могут быть идентифицированы без дальнейших наблюдений и анализа, хотя двойные системы сверхмассивных черных дыр являются ведущими кандидатами. [1]
См. также [ править ]
- Космическое фоновое излучение
- Космический микроволновый фон
- Фон космических нейтрино
- Гравитационно-волновая астрономия
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б О'Каллаган, Джонатан (4 августа 2023 г.). «Фоновый «гул» пронизывает Вселенную. Ученые спешат найти его источник. Сейчас астрономы пытаются определить происхождение захватывающей новой формы гравитационных волн, о которой было объявлено ранее в этом году» . Научный американец . Архивировано из оригинала 4 августа 2023 года . Проверено 4 августа 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Джозеф Д. Романо, Нил. Дж. Корниш (2017). «Методы обнаружения стохастических гравитационно-волновых фонов: единая трактовка» . Живой преподобный Относительный . 20 (1): 2. arXiv : 1608.06889 . Бибкод : 2017LRR....20....2R . дои : 10.1007/s41114-017-0004-1 . ПМК 5478100 . ПМИД 28690422 .
- ^ Краусс, Лоуренс Д; Додельсон, Скотт; Мейер, Стефан (21 мая 2010 г.). «Первичные гравитационные волны и космология» . Наука . 328 (5981): 989–992. arXiv : 1004.2504 . Бибкод : 2010Sci...328..989K . дои : 10.1126/science.1179541 . ПМИД 20489015 . S2CID 11804455 .
- ^ Кристенсен, Нельсон (21 ноября 2018 г.). «Стохастические гравитационно-волновые фоны» . Отчеты о прогрессе в физике . 82 (1): 016903. arXiv : 1811.08797 . дои : 10.1088/1361-6633/aae6b5 . ПМИД 30462612 . S2CID 53712558 .
- ^ Отт, Кристиан Д.; и другие. (2012). «Сверхновые с коллапсом ядра, нейтрино и гравитационные волны». Ядерная физика Б: Приложения к сборнику трудов . 235 : 381–387. arXiv : 1212.4250 . Бибкод : 2013НуФС.235..381О . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2013.04.036 . S2CID 34040033 .
- ^ Фрайер, Крис Л.; Новое, Кимберли CB (2003). «Гравитационные волны от гравитационного коллапса» . Живые обзоры в теории относительности . 6 (1): 2. arXiv : gr-qc/0206041 . Бибкод : 2003LRR.....6....2F . дои : 10.12942/lrr-2003-2 . ПМЦ 5253977 . ПМИД 28163639 .
- ^ Научное сотрудничество LIGO и сотрудничество Virgo; Эбботт, BP; Эбботт, Р.; Эбботт, Т.Д.; Ачернезе, Ф.; Экли, К.; Адамс, К.; Адамс, Т.; Аддессо, П.; Адхикари, RX; Адья, В.Б. (28 февраля 2018 г.). «GW170817: Последствия для стохастического гравитационно-волнового фона из компактных бинарных слияний» . Письма о физических отзывах . 120 (9): 091101. arXiv : 1710.05837 . Бибкод : 2018PhRvL.120i1101A . doi : 10.1103/PhysRevLett.120.091101 . ПМИД 29547330 .
- ^ Сесана, А. (22 мая 2013 г.). «Систематическое исследование ожидаемого сигнала гравитационной волны от сверхмассивных двойных черных дыр во временном диапазоне пульсаров». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма . 433 (1): Л1–Л5. arXiv : 1211.5375 . Бибкод : 2013MNRAS.433L...1S . дои : 10.1093/mnrasl/slt034 . S2CID 11176297 .
- ^ Волонтери, Марта; Хаардт, Франческо; Мадау, Пьеро (10 января 2003 г.). «История сборки и слияния сверхмассивных черных дыр в иерархических моделях формирования галактик». Астрофизический журнал . 582 (2): 559–573. arXiv : astro-ph/0207276 . Бибкод : 2003ApJ...582..559В . дои : 10.1086/344675 . S2CID 2384554 .
- ^ Сесана, А.; Веккьо, А.; Колачино, Китай (11 октября 2008 г.). «Стохастический гравитационно-волновой фон от массивных двойных систем черных дыр: значение для наблюдений с помощью временных решеток пульсаров». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 390 (1): 192–209. arXiv : 0804.4476 . Бибкод : 2008MNRAS.390..192S . дои : 10.1111/j.1365-2966.2008.13682.x . S2CID 18929126 .
- ^ «Сосредоточьтесь на 15-летнем наборе данных NANOGrav и фоне гравитационных волн» . iopscience.iop.org . Июнь 2023 года . Проверено 29 июня 2023 г.
- ^ «Спустя 15 лет определение времени пульсаров свидетельствует о наличии фона космических гравитационных волн» . 29 июня 2023 г.
- ^ Эбботт, BP; и другие. (2016). «Наблюдение гравитационных волн в результате слияния двойных черных дыр». Физ. Преподобный Летт. 116 (6): : 1602.03837 061102.arXiv . Бибкод : 2016PhRvL.116f1102A . doi : 10.1103/PhysRevLett.116.061102 . ПМИД 26918975 . S2CID 124959784 .
- ^ Кастельвекки, Давиде; Витце, Александра (11 февраля 2016 г.). «Наконец-то найдены гравитационные волны Эйнштейна» . Новости природы . дои : 10.1038/nature.2016.19361 . S2CID 182916902 . Проверено 11 февраля 2016 г. .
- ^ Миллер, Катрина (28 июня 2023 г.). «Космос кипит гравитационными волнами, как обнаружили астрономы. Радиотелескопы по всему миру уловили характерный гул, разносящийся по космосу, скорее всего, от сверхмассивных черных дыр, сливающихся в ранней Вселенной» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Архивировано из оригинала 29 июня 2023 года . Проверено 29 июня 2023 г.
- ^ Агази, Габриэлла; Анумарлапуди, Акаш; Арчибальд, Энн М.; Арзуманян, Завен; Бейкер, Пол Т.; Бечи, Бенс; Блеха, Лаура; Брейзер, Адам; Брук, Пол Р.; Берк-Сполаор, Сара; Бернетт, Рэнд; Кейс, Робин; Чариси, Мария; Чаттерджи, Шами; Хаджиоанну, Катерина (июнь 2023 г.). «Набор данных NANOGrav за 15 лет: доказательства гравитационно-волнового фона» . Письма астрофизического журнала . 951 (1): Л8. arXiv : 2306.16213 . Бибкод : 2023ApJ...951L...8A . дои : 10.3847/2041-8213/acdac6 . ISSN 2041-8205 . S2CID 259274684 .
- ^ Антониадис, Дж. (28 июня 2023 г.). «Второй выпуск данных из Европейской системы синхронизации пульсаров». Астрономия и астрофизика . 678 : А50. arXiv : 2306.16214 . дои : 10.1051/0004-6361/202346844 . S2CID 259274756 .
- ^ Рирдон, Дэниел Дж.; Зик, Эндрю; Шеннон, Райан М.; Хоббс, Джордж Б.; Бейлз, Мэтью; Ди Марко, Валентина; Капур, Агастья; Роджерс, Эксл Ф.; Трейн, Эрик; Аскью, Джейкоб; Бхат, Н.Д. Рамеш; Кэмерон, Эндрю; Курило, Малгожата; Коулз, Уильям А.; Дай, Ши (29 июня 2023 г.). «Поиск изотропного гравитационно-волнового фона с помощью временной решетки пульсаров Паркса» . Письма астрофизического журнала . 951 (1): Л6. arXiv : 2306.16215 . Бибкод : 2023ApJ...951L...6R . дои : 10.3847/2041-8213/acdd02 . ISSN 2041-8205 . S2CID 259275121 .
- ^ Сюй, Сиюань; Цзян, Цзиньчэнь; Сюй, Цзихан; Николас Юань, Цзяньпин; Ван, Цзиньбо; Луо, Цзинтао; Ли, Кецзя; Хан, Цзиньлинь (29 июня 2023 г.). Поиск фона стохастической гравитационной волны наногерца с помощью данных китайской временной матрицы пульсаров», выпуск I. . и астрофизики в области астрономии « Исследования 075024. arXiv : 2306.16216 . Бибкод : 23g5024X . doi : 1674-4527/acdfa5 . ISSN 1674-4527 . / 10.1088 2023RAA ....
- ^ «Исследование тайн Вселенной: ключевые доказательства существования гравитационных волн наногерца» . scitechdaily.com . Китайская академия наук. 2 июля 2023 г. Проверено 21 июля 2023 г.
Китайские ученые недавно нашли ключевые доказательства существования гравитационных волн наногерца, ознаменовав новую эру в гравитационных исследованиях наногерца.
- ^ Рини, Маттео (2023). «Исследователи зафиксировали гравитационно-волновой фон с помощью «антенн» пульсара » . Физика . 16 . Physics 16, 118 (29 июня 2023 г.): 118. Бибкод : 2023PhyOJ..16..118R . дои : 10.1103/Физика.16.118 . S2CID 260750773 .
Четыре независимых коллаборации обнаружили фон гравитационных волн, проходящих через нашу Галактику, открыв новое окно в астрофизические и космологические процессы, которые могут создавать такие волны.
- ^ Дженет, Фредрик А.; Романо, Джозеф Д. (1 июля 2015 г.). «Понимание гравитационно-волновой кривой Хеллингса и Даунса для временных решеток пульсаров с точки зрения звуковых и электромагнитных волн» . Американский журнал физики . 83 (7): 635–645. arXiv : 1412.1142 . Бибкод : 2015AmJPh..83..635J . дои : 10.1119/1.4916358 . S2CID 116950137 .