누락 된 중력파의 숨겨진 과학

Morgantown에있는 West Virginia University의 Maura McLaughlin과 중력파 (Nanograv)의 북미 나노 헤르츠 전망대의 전 회장은“중력파가 펄서를 통과하면 펄서까지의 효과적인 거리가 바뀌어 앞뒤로 흔들립니다. 그것은 배출량이 얼마나 멀리 여행 해야하는지, 그리고 그들이 우리 지구에 도착했을 때 변화합니다. 파도가 지구를 통과하면 같은 일이 발생합니다.

수십억 개의 태양열 덩어리의 경우 수억 광년이 걸리는 초가 수백만 번의 광장의 경우 밀리 초 펄서의 펄스 도착 시간은 마이크로 초에 의해 변경 될 것입니다. 그러나 대부분의 이러한 바이너리는 더 멀리 떨어져 있고 덜 거대 할 것으로 예상되며, 왜곡은 단지 수십 나노초 이하일 것입니다. Detweiler와 Sahzin의 시간에서 망원경 기기는 데이터를 빠르게 가져 와서 덤프 할 수 없었습니다. 컴퓨터는 테라 바이트 수준의 출력을 저장하고 처리 할 수 ​​없었습니다. 그리고 아무도 아직 밀리 초 펄서를 발견하지 못했습니다. 그들은 다른 것이 필요했습니다.

1982 년, Pasadena의 Jet Propulsion Laboratory의 Ronald Hellings와 California Institute of Technology의 George Downs는 획기적인 발전을 이루었습니다. 과학자들은 한 번에 많은 펄서를보고, 집단적으로 도착하여 한 번에 한 번의 무게 중력 배경을 탐지하기 위해 집단적으로 도착하는 것을 제안했습니다. 그들은 우주를 가로 질러 윙윙 거리는 그 스타티비 배경이 어떻게 많은 펄서의 블립에 나타날지 모델링했는데, 나중에 과학자들은 나중에“펄서 타이밍 배열”이라고 불렀습니다.

Pasadena의 캘리포니아 기술 연구소의 Chiara Mingarelli를 제안합니다. "당신은 중력 파 배경이 바다 표면과 같다고 상상할 수 있습니다."라고 그녀는 말합니다. "그리고 우리는 보트를 타고 지구상에 있고,이 중력 파다에서 위아래로 뒤쳐지고 있습니다."

McLaughlin은 Pulsars도 마찬가지이지만 바다에서의 찌르기는 순수한 소음처럼 보인다. McLaughlin은“그들은 모두 다른시기에 일어나기 때문에 상관 관계가 없기 때문에”

그러나 지구에서 구멍을 뚫는 것은 시끄럽지 만 약간의 구조가 있습니다. 그 구조는 지옥과 다운이 맵핑 된 것입니다. 중력파가 지구 밥을 만들 때, 그들은 all 에서 플래시의 도착을 바꿉니다. 동시에 펄서. 중력파는 한 방향으로 짜서 시공간을 압축하는 동안 다른 방향으로 압축하여 늘어납니다. 남북 노선을 따라 우주가 응축된다고 상상해보십시오. 동시에 동서가 확장됩니다. 하늘의 북쪽 방향에있는 두 개의 펄서는 블립 타이밍에서 비슷한 속도를 보이며 동부 방향의 두 개의 펄서는 비슷한 속도가 느려질 것입니다.

지옥과 다운은이 늦게와 초기 도착이 어떻게 하늘을 가로 질러 펄서와 일치 해야하는지 설명했습니다. 과학자들은 예측 된 서명과 펄서 패셀을 사용하여 단일 펄서를 보는 것에 대한 민감도를 얻을 수있었습니다. 시그니처 신호가 불리는 지옥 다운 곡선은 오늘날 천문학 자들이 여전히 찾는 것입니다. 그러나 지옥과 다운스가 그들의 작업을 수행했을 때, 기술은 충분하지 않았으며 천문학 자들은 초 전역 밀리 초 펄서를 발견하지 못했습니다. McLaughlin은“방법은 없었습니다. 그들은 미래를 찾기 위해 기술을 타임 캡슐에 묻어 야합니다.

그러나 그들은 또한 새로운 과학의 잠재력을 깨달았습니다. 중력파를 직접 탐지 한 사람은 아무도 없었으며 Ligo는 12 년 동안 첫 자금을받지 못했습니다. 펄서 천문학 자들은 의심 할 여지없이 중력파가 존재한다는 것을 의심 할 여지없이 처음으로 총을 맞았습니다. 그리고 그 외에도, 그들은 그 중력파를 사용하여 우주가 어떻게 그대로 왔는지 배울 수있었습니다. 그들은 신호에 민감한 방법을 알고 있었고 컴퓨터가 프로젝트가 필요한 처리 속도를 따라 잡을 것이라는 것을 알았습니다.

80 년대와 90 년대에 걸쳐 사람들은 배경에서 중력파 배경에서 계속 노력했습니다. McLaughlin은“그러나 그들은 우리가 실제로 탐지를 기대할 수있는 수준에 있지 않았기 때문에 실제로 모든 것을주지 않았습니다.”라고 McLaughlin은 말합니다.

그러나 몇 년이 지남에 따라 망원경 기기는 더 많은 처리 능력을 얻었습니다. 새로운 펄서가 쌓여있었습니다. 천문학 자들은 1980 년대에 단 4 밀리 초 펄서를 알고 있었지만 1990 년대에는 31 개 더 많이, 2000 년에서 2010 년 사이에 65 개를 더 많이 발견했습니다. 그 이후로 150 명을 발견하여 총 250 명을 가져 왔습니다.

2005 년 호주 망원경 국립 시설의 Dick Manchester는 행동 할 시간이라고 결정했습니다. 그와 그의 동료들은 배경 중력파에 대한 첫 번째 펄서 검색 인 Parkes Pulsar 타이밍 어레이를 설립했습니다. 뉴 사우스 웨일즈 (New South Wales)의 목가적 인 209 피트 파크 망원경을 사용하여 종종 접시 아래에 양들이있는 양이있는 팀이 수색을 시작했습니다. 그들은 가장 정확한 20 개의 펄서에서 블립 후 Blip을 수집하여 공항 출발/도착 스크린과 같은 것을보고 Hellings-Downs Curve를 검색했습니다.

더 북쪽으로 천문학 자들은 같은 해 후반 유럽 펄서 타이밍 어레이를 형성하여 독일 피 펠스 버그에서 5 개의 다른 망원경으로 펄서 라디오 파도를 잡았다. 체셔, 영국; Nançay, 프랑스; Pranu Sanguni, 이탈리아; 네덜란드 Westerbork. 각각의 측정은 210 ~ 330 피트를 가로 질러 오늘날에도 여전히 실행중인 18 개의 고정밀 펄서와 함께 시간을 유지하고 있습니다. 하루 만에 24 시간 만 존재하고 대부분의 망원경은 모든 펄서가 아니기 때문에 더 많은 망원경을 포함하여 천문학자는 기기에 더 많은 관찰을 퍼뜨릴 수 있습니다.

미국에서는 펄서 천문학 자들이 뒤에 있었지만 비밀 무기가있었습니다. 망원경의 경우 더 큰 것이 좋습니다. 그리고 미국 소다와 마찬가지로 미국 망원경은 경쟁을 능가했습니다. 미국 천문학 자들은 푸에르토 리코의 Arecibo 망원경에 접근 할 수 있었는데, 이는 1,000 피트에 달하는 웨스트 버지니아의 그린 뱅크 망원경 (328 피트)의 유럽 330 피트와 호주의 209 피트 요리에 비해 328 피트의 그린 뱅크 망원경

Green Bank 망원경을 운영하는 National Radio Astronomy Observatory의 이사 인 Fred Lo는 그 크기 차이를 활용하고 싶었습니다. 2008 년에 그는 McLaughlin, West Virginia University의 Duncan Lorimer 및 Observatory Scientist Scott Ransom과 같은 전망대에서 일하거나 사용한 저명한 펄서 과학자들을 모았습니다. 각 과학자는 자신의 개별 프로젝트를 수행하여 자신이 좋아하는 펄서를 치고있었습니다. 그는 그들을 연결하여 그들에게 그들의 행동을 모으고 협력을 시작하고 중력파 배경을 위해 사냥에 합류하라고 말했습니다.

McLaughlin은“당시 우리는 약어를 골랐습니다. "물론 가장 중요한 부분입니다." 그들은 중력파를 위해 북미 나노 헤르츠 전망대를 위해 나노 그라브라고 불렀습니다.

세 팀 각각은 지리적 근접성과 연방 자금 출처 덕분에 가장 친숙한 망원경에서 데이터를 수집하고 분석했습니다. 그러나 그들은 모두 자신의 작업을 결합하면 파도를 더 빨리 감지하는 데 더 나은 기회를 가질 것이라는 것을 알았습니다. 세 그룹 모두 2009 년에 연결되어 네트워크 네트워크를 형성했습니다 :국제 펄서 타이밍 어레이 (IPTA). 최고의 펄서의 39 개 목록을 사용하여 일을 시작했습니다. 오늘날, 그 목록은 약 100으로 성장했으며, 일부 경쟁은 Pulsar-Precisionist 그룹간에 존재하지만 데이터 공유의 과학적 이점은 비용보다 중요합니다. McLaughlin은“정말로 그것을하고 영광을 얻기를 원하는 사람들이 있지만, 그것이 작은 그룹의 사람들이라고 생각합니다. "거의 모든 사람들이 첫 번째 탐지가 IPTA 데이터에서 나올 것이라는 것을 인정했습니다."

그러나 어떤 의미에서, Nanograv는 약간의 신호를 기록하지 않아도 이미 새로운 과학을 생산했습니다.

널리 감사하지 않은 것은 펄서 타이밍 어레이 실험의 침묵이 첫 번째 과학 중 일부라는 것입니다.“우리는 그들을 찾았습니다!” 또는“우리는 그들을 찾지 못했습니다!”-수십 년간의 실험적인 중력 파에서 나오기 위해. 그렇기 때문에 McLaughlin은 Ligo Discovery가 너무 커서 다른 연구가 중요하지 않은 것처럼 보일 때 화를냅니다. "여러 사람이‘지금은 지금 포기 하시겠습니까?’라고 말합니다."라고 그녀는 말합니다. “저는‘Noooo, 그건 요점이 아닙니다.’

Nanograv가 검색하는 중력 배경 소음은 초대형 블랙홀의 전체 인구에서 비롯되기 때문에 리고 탐지와 같은 개별 물체뿐만 아니라 전체 은하 집단의 형성과 진화도 설명 할 것입니다. 결과적으로 신호의 크기는 우주의 기본 특징 중 일부를 반영합니다.

그 신호의 크기를 추정하기 위해 과학자들은 우주가 보유한 이중 초대형 블랙홀 수, 얼마나 큰지, 서로 주위에 얼마나 빨리 채찍질을했는지, 어디에 있는지에 대한 모델을 사용했습니다. 이러한 추정치는 은하가 어떻게 형성되는지, 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는 지, 어떻게 더 커지는 지에 대한 최신의 이해를 반영했습니다. 결론은 5 년에서 10 년 동안 약 20 개의 펄서를 모니터링하면 Nanohertz 중력 배경 드론을들을 수 있도록 민감도가 충분해야한다는 것입니다. 배열 개시 후 11 년이 지난 후에도 여전히 아무것도 발견하지 못했을 때, 그들은 그 초기 가정 중 일부가 잘못되었다는 것을 효과적으로 알게되었습니다. 세 팀 모두 2015 년에 실제 소음 진폭이 초기 추정치보다 10 배 이상 낮아야한다고 추정했습니다.

이 예상되는 신호 강도를 낮추는 것은 리고의 역사적 탐지와 반대되는 일종의 반 뉴스였습니다. 그러나 과학자들이 은하계 형성과 진화라는 개념을 재고하도록 도전하는 것은 흥미로운 새로운 과학으로 이어질 수 있습니다. 아마도 과학자들이 생각했던 것보다 중심에 큰 검은 구멍을주는 은하계가 줄어들 것입니다. 현재 과학자들은 거의 모든 실질적인 (비 드워프) 은하계가 그렇게한다고 생각합니다. 아마도 갤럭시 합병은 추정 된 것보다 덜 빈번 할 수 있습니다. (지금은 Mingarelli는“더 적은 수의”가 실제로 무엇을 의미하는지 알아 내려고 노력하고 있습니다.) 또는 두 개의 블랙홀 사이의 첫 만남과 그들의 유착 사이의 시간은 이론가들이 개발 한 방정식을 따르지 않을 것입니다. 또한 대부분의 블랙홀 합병은 구멍이 붓기 (감지 가능한) 중력파를 방출하기에 충분히 가까워지기 전에 어떻게 든 멈출 수 있으며, 그 쌍은 서로를 끝없이 계속 공전하고 결코 합쳐지지 않을 것입니다. 또는 과학자들은 초대형 블랙홀 크기를 모두 잘못 만들었으며, 한 번 생각보다 작아서 파도가 더 작습니다. 현재이 모든 시나리오는 가능성으로 작용하고 있습니다.

물론, 목표는 실제 탐지를 만드는 것이 여전히 남아 있습니다. Nanograv는 9 년 데이터 세트의 새로운 계산을 기반으로 5 ~ 10 년 안에 정적을 듣는 데 필요한 민감도에 도달 할 것이라고 추정합니다. 최신 논문에서 민감도 추정치에는 매년 4 개의 새로운 hyperstable 펄서를 추가하여 54에서 100으로 약 100으로 가져갑니다.“Pulsar-Timing은 사람들, 기술 및 분석 측면에서 준비되어 있다고 생각합니다. 그러나 그는“자연이 우리의 목표보다 우리의 목표를 더 멀리 올렸을 수도있다”고 경고 할 가능성이있다.

탐지 시간은 또한 더 내려 오는 것에 달려 있습니다 :자금 조달. McLaughlin은“[만약] 우리는 Green Bank 망원경이나 Arecibo에 대한 접근을 잃어 버렸다. 탐지 시간은 몇 년으로 되돌아 갔다. National Science Foundation은 2017 년 또는 2018 년에 Green Bank 자금 조달을 중단 할 예정이며, 전망대는 개인 파트너십을 추구하고 있습니다. Arecibo에서는 공원에서도했던 것처럼 이번 여름을 포함하여 수년간 폐쇄의 위협이 나타 났지만 두 망원경은 모두 열려 있습니다. 유럽에있는 사람들은 지금까지 안전합니다.

Vallisneri는 Nanograv가 Ligo의 초기 발견을 보완하기 위해 많은 범주의 악기가 될 예정의 한 예라고 말합니다. 그가 말하면서,“천문학 자들은 갈릴레오를 돌보는 것을 멈추지 않았다.

Sarah Scoles는 콜로라도 덴버에 본사를 둔 작가이며 의 기고자입니다. 유선 과학.

리드 복합은 다음과 같은 이미지로 만들어졌습니다. ESO/G. Bono &Ctio 및 Pixabay