stringtranslate.com

Гравитационно-волновой фон

Гравитационно -волновой фон (также GWB и стохастический фон ) — это случайный фон гравитационных волн , пронизывающих Вселенную , который можно обнаружить с помощью гравитационно-волновых экспериментов, таких как массивы пульсаров . [1] Сигнал может быть по своей сути случайным, как от стохастических процессов в ранней Вселенной, или может быть создан некогерентной суперпозицией большого числа слабых независимых неразрешенных источников гравитационных волн, таких как сверхмассивные двойные черные дыры. Обнаружение гравитационно-волнового фона может предоставить информацию, недоступную никакими другими способами, о популяции астрофизических источников, таких как гипотетические древние сверхмассивные двойные черные дыры, и ранних процессах Вселенной, таких как гипотетическая первичная инфляция и космические струны . [2]

Источники стохастического фона

Несколько потенциальных источников фона выдвинуты в различных диапазонах частот, представляющих интерес, причем каждый источник создает фон с различными статистическими свойствами. Источники стохастического фона можно в целом разделить на две категории: космологические источники и астрофизические источники.

Космологические источники

Космологические фоны могут возникать из нескольких ранних источников 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 являются более гипотетическими, обнаружение первичного гравитационно-волнового фона 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

Астрофизический фон создается объединенным шумом многих слабых, независимых и неразрешенных астрофизических источников. [2] Например, астрофизический фон от слияний черных дыр звездной массы, как ожидается, будет ключевым источником стохастического фона для текущего поколения наземных детекторов гравитационных волн. Детекторы LIGO и Virgo уже обнаружили отдельные гравитационно-волновые события от таких слияний черных дыр. Однако будет большая популяция таких слияний, которые не будут индивидуально разрешены, что создаст гул случайного шума в детекторах. Другие астрофизические источники, которые индивидуально не разрешены, также могут образовывать фон. Например, достаточно массивная звезда на заключительном этапе своей эволюции коллапсирует, образуя либо черную дыру , либо нейтронную звезду — при быстром коллапсе в последние моменты взрывного события сверхновой , которое может привести к таким образованиям, теоретически могут высвобождаться гравитационные волны. [5] [6] Кроме того, в быстро вращающихся нейтронных звездах существует целый класс неустойчивостей, вызванных излучением гравитационных волн. [ необходима цитата ]

Природа источника также зависит от чувствительного частотного диапазона 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 черных дыр звездной массы. [7]

Альтернативным способом наблюдения является использование массивов пульсарных синхронизаций (PTA). Три консорциума — European Pulsar Timing Array (EPTA), North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) и Parkes Pulsar Timing Array (PPTA) — координируют свою деятельность как International Pulsar Timing Array . Они используют радиотелескопы для мониторинга галактического массива 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 требуются многие годы наблюдений, а чувствительность детектора постепенно улучшается. Пределы чувствительности приближаются к ожидаемым для астрофизических источников. [8]

Сверхмассивные черные дыры с массами 10 5 –10 9 солнечных масс находятся в центрах галактик. Неизвестно, что появилось первым, сверхмассивные черные дыры или галактики, или как они эволюционировали. Когда галактики сливаются, ожидается, что их центральные сверхмассивные черные дыры также сольются. [9] Эти сверхмассивные двойные системы потенциально производят самые громкие низкочастотные гравитационно-волновые сигналы; самые массивные из них являются потенциальными источниками наногерцового гравитационного волнового фона, который в принципе может быть обнаружен PTA . [10]

Обнаружение

График корреляции между пульсарами, наблюдаемыми NANOGrav (2023), и угловым разделением между пульсарами в сравнении с теоретической моделью Хеллингса–Даунса (пунктирная фиолетовая линия) и в случае отсутствия гравитационного волнового фона (сплошная зеленая линия) [11] [12]

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, чтобы произвести обнаруживаемые гравитационные волны. Это первый шаг к потенциальному обнаружению GWB. [13] [14]

28 июня 2023 года Североамериканская обсерватория гравитационных волн им. Наногерца объявила о доказательствах существования GWB с использованием данных наблюдений массива миллисекундных пульсаров . [15] [16] Наблюдения от EPTA , [17] обсерватории Паркса [18] и китайской Pulsar Timing Array (CPTA) [19] [20] также были опубликованы в тот же день, что обеспечило перекрестную проверку доказательств существования GWB с использованием различных телескопов и методов анализа. [21] Эти наблюдения обеспечили первое измерение теоретической кривой Хеллингса-Даунса , то есть квадрупольной и более высокой мультиполярной корреляции между двумя пульсарами в зависимости от их углового разделения на небе, что является явным признаком гравитационно-волнового происхождения наблюдаемого фона. [22] [23]

Источники этого гравитационно-волнового фона невозможно определить без дальнейших наблюдений и анализов, хотя основными кандидатами являются двойные системы сверхмассивных черных дыр . [1]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab O'Callaghan, Jonathan (4 августа 2023 г.). «Фоновый „гул“ пронизывает Вселенную. Ученые спешат найти его источник — астрономы сейчас пытаются определить происхождение захватывающей новой формы гравитационных волн, о которой было объявлено ранее в этом году». Scientific American . Архивировано из оригинала 4 августа 2023 г. . Получено 4 августа 2023 г. .
  2. ^ ab Romano, Joseph D.; Cornish, Neil. J. (2017). "Методы обнаружения стохастических гравитационно-волновых фонов: унифицированная обработка". Living Reviews in Relativity . 20 (1): 2. arXiv : 1608.06889 . Bibcode :2017LRR....20....2R. doi :10.1007/s41114-017-0004-1. ISSN  2367-3613. PMC 5478100 . PMID  28690422. 
  3. ^ Krauss, Lawrence D; Dodelson, Scott; Meyer, Stephan (21 мая 2010 г.). «Первичные гравитационные волны и космология». Science . 328 (5981): 989–992. arXiv : 1004.2504 . Bibcode :2010Sci...328..989K. doi :10.1126/science.1179541. PMID  20489015. S2CID  11804455.
  4. ^ Кристенсен, Нельсон (21 ноября 2018 г.). «Стохастические гравитационно-волновые фоны». Reports on Progress in Physics . 82 (1): 016903. arXiv : 1811.08797 . doi : 10.1088/1361-6633/aae6b5. PMID  30462612. S2CID  53712558.
  5. ^ Отт, Кристиан Д.; и др. (2012). «Core-Collapse Supernovae, Neutrinos, and Gravitational Waves». Nuclear Physics B: Proceedings Supplements . 235 : 381–387. arXiv : 1212.4250 . Bibcode : 2013NuPhS.235..381O. doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2013.04.036. S2CID  34040033.
  6. ^ Fryer, Chris L.; New, Kimberly CB (2003). "Гравитационные волны от гравитационного коллапса". Living Reviews in Relativity . 6 (1): 2. arXiv : gr-qc/0206041 . Bibcode : 2003LRR.....6....2F. doi : 10.12942/lrr-2003-2 . PMC 5253977. PMID  28163639 . 
  7. ^ Abbott, BP; Abbott, R.; Abbott, TD; Acernese, F.; Ackley, K.; Adams, C.; Adams, T.; Addesso, P.; Adhikari, RX; Adya, VB; Affeldt, C.; Afrough, M.; Agarwal, B.; Agathos, M.; Agatsuma, K. (28 февраля 2018 г.). "GW170817: Последствия для стохастического гравитационно-волнового фона из компактных бинарных слияний". Physical Review Letters . 120 (9): 091101. arXiv : 1710.05837 . Bibcode : 2018PhRvL.120i1101A. doi : 10.1103/PhysRevLett.120.091101 . ISSN  0031-9007. PMID  29547330.
  8. ^ Sesana, A. (22 мая 2013 г.). «Систематическое исследование ожидаемого сигнала гравитационной волны от двойных сверхмассивных черных дыр в диапазоне синхронизации пульсаров». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters . 433 (1): L1–L5. arXiv : 1211.5375 . Bibcode :2013MNRAS.433L...1S. doi : 10.1093/mnrasl/slt034 . S2CID  11176297.
  9. ^ Volonteri, Marta; Haardt, Francesco; Madau, Piero (10 января 2003 г.). «История сборки и слияния сверхмассивных черных дыр в иерархических моделях формирования галактик». The Astrophysical Journal . 582 (2): 559–573. arXiv : astro-ph/0207276 . Bibcode :2003ApJ...582..559V. doi :10.1086/344675. S2CID  2384554.
  10. ^ Sesana, A.; Vecchio, A.; Colacino, CN (11 октября 2008 г.). «Стохастический гравитационно-волновой фон от двойных систем массивных черных дыр: последствия для наблюдений с помощью Pulsar Timing Arrays». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 390 (1): 192–209. arXiv : 0804.4476 . Bibcode : 2008MNRAS.390..192S. doi : 10.1111/j.1365-2966.2008.13682.x . S2CID  18929126.
  11. ^ "Focus on NANOGrav's 15 yr Data Set and the Gravitational Wave Background". The Astrophysical Journal Letters . Июнь 2023 г. Получено 29 июня 2023 г.
  12. ^ Сандерс, Роберт (29 июня 2023 г.). «Спустя 15 лет хронометраж пульсаров дает доказательства существования космического гравитационного волнового фона». Berkeley News .
  13. ^ Эбботт, Б. П.; и др. (2016). «Наблюдение гравитационных волн от слияния бинарных черных дыр». Phys. Rev. Lett. 116 (6): 061102. arXiv : 1602.03837 . Bibcode :2016PhRvL.116f1102A. doi :10.1103/PhysRevLett.116.061102. PMID  26918975. S2CID  124959784.
  14. ^ Кастельвекки, Давиде; Витце, Александра (11 февраля 2016 г.). «Наконец-то найдены гравитационные волны Эйнштейна». Nature News . doi :10.1038/nature.2016.19361. S2CID  182916902 . Получено 11 февраля 2016 г. .
  15. ^ Миллер, Катрина (28 июня 2023 г.). «Космос дрожит от гравитационных волн, обнаружили астрономы — радиотелескопы по всему миру уловили характерный гул, разносящийся по космосу, скорее всего, от слияния сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной». The New York Times . ISSN  0362-4331. Архивировано из оригинала 29 июня 2023 г. . Получено 29 июня 2023 г. .
  16. ^ Агази, Габриэлла; Анумарлапуди, Акаш; Арчибальд, Энн М.; Арзуманян, Завен; Бейкер, Пол Т.; Бекси, Бенс; Блеча, Лора; Брейзиер, Адам; Брук, Пол Р.; Берк-Сполаор, Сара; Бернетт, Рэнд; Кейс, Робин; Чариси, Мария; Чаттерджи, Шами; Чатзииоанну, Катерина (июнь 2023 г.). "Набор данных NANOGrav за 15 лет: доказательства гравитационно-волнового фона". The Astrophysical Journal Letters . 951 (1): L8. arXiv : 2306.16213 . Bibcode : 2023ApJ...951L...8A. doi : 10.3847/2041-8213/acdac6 . ISSN  2041-8205. S2CID  259274684.
  17. ^ Антониадис, Дж. (28 июня 2023 г.). «Второй выпуск данных от European Pulsar Timing Array». Астрономия и астрофизика . 678 : A50. arXiv : 2306.16214 . doi : 10.1051/0004-6361/202346844. S2CID  259274756.
  18. ^ Рирдон, Дэниел Дж.; Зик, Эндрю; Шеннон, Райан М.; Хоббс, Джордж Б.; Бейлс, 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 массива пульсаров Паркса". The Astrophysical Journal Letters . 951 (1): L6. arXiv : 2306.16215 . Bibcode : 2023ApJ...951L...6R. doi : 10.3847/2041-8213/acdd02 . ISSN  2041-8205. S2CID  259275121.
  19. ^ Сюй, Хэн; Чен, Сиюань; Го, Яньцзюнь; Цзян, Цзиньчэнь; Ван, Боджун; Сюй, Цзянвэй; Сюэ, Зихан; Николас Кабальеро, Р.; Юань, Цзяньпин; Сюй, Юнхуа; Ван, Цзинбо; Хао, Лунфэй; Ло, Цзинтао; Ли, Кеджиа; Хан, Цзиньлинь (29 июня 2023 г.). «Поиск фона стохастической гравитационной волны наногерца с помощью данных временной матрицы китайских пульсаров, выпуск I». Исследования в области астрономии и астрофизики . 23 (7): 075024. arXiv : 2306.16216 . Бибкод : 2023RAA....23g5024X. doi : 10.1088/1674-4527/acdfa5. ISSN  1674-4527. S2CID  259274998.
  20. ^ «Исследование тайн Вселенной: ключевые доказательства существования гравитационных волн наногерцового диапазона». scitechdaily.com . Китайская академия наук. 2 июля 2023 г. . Получено 21 июля 2023 г. Недавно китайские ученые обнаружили ключевые доказательства существования гравитационных волн наногерцового диапазона, что ознаменовало новую эру в исследованиях гравитации наногерцового диапазона.
  21. ^ Рини, Маттео (2023). «Исследователи захватывают фон гравитационных волн с помощью «антенн» пульсара». Physics . 16 . Physics 16, 118 (29 июня 2023 г.): 118. Bibcode :2023PhyOJ..16..118R. doi : 10.1103/Physics.16.118 . S2CID  260750773. Четыре независимых коллаборации обнаружили фон гравитационных волн, который проходит через нашу Галактику, открыв новое окно в астрофизические и космологические процессы, которые могут создавать такие волны.
  22. ^ Дженет, Фредрик А.; Романо, Джозеф Д. (1 июля 2015 г.). «Понимание гравитационно-волновой кривой Хеллингса и Даунса для массивов синхронизации пульсаров с точки зрения звука и электромагнитных волн». American Journal of Physics . 83 (7): 635–645. arXiv : 1412.1142 . Bibcode :2015AmJPh..83..635J. doi :10.1119/1.4916358. S2CID  116950137.
  23. ^ Романо, Джозеф Д.; Аллен, Брюс (30 января 2024 г.). «Ответы на часто задаваемые вопросы о кривой Хеллингса и Даунса для массива пульсаров». arXiv : 2308.05847v2 [gr-qc].

Внешние ссылки