Heyrðu öldunið þyngdar­bylgna sem ganga um al­heiminn

Aðstandendur NANOGrav-athuganastöðvarinnar, samstarfsverkefni hátt í tvö hundruð bandaríska og kanadískra vísindamanna kynntu fyrstu vísbendingar áralangra rannsókna sinna í gær. Niðurstaða þeirra er að alheimurinn sé eins og ólgusjór hægfara þyngdarbylgna.

Þyngdarbylgjur eru nokkurs konar gárur í sjálfu tímarúminu sem teygja það og kreista. Þær verða til við samruna gríðarlega massamikilla fyrirbæra eins og svarthola eða nifteindastjarna. Albert Einstein spáði fyrir um tilvist slíkra bylgna fyrir meira en hundrað árum en taldi að aldrei yrði hægt að staðfesta þá kenningu vegna þess hversu hverfandi áhrifin væru. Það var ekki fyrr en árið 2015 sem mönnum tókst að nema þyngdarbylgjur í fyrsta skipti.

Merkið sem vísindamenn NANOGrav (e. North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) telja sig hafa fundið er samanlagður niður þyngdarbylgna frá samruna risasvarthola sem ganga þvers og kruss um alheiminn.

„Þetta eins og þú værir í kokteilboði og þú greindir ekki einstaka rödd. Við heyrum bara bakgrunnsniðinn,“ segir Patrick Meyers, rannsóknarnemi við Caltech-háskóla í Bandaríkjunum og einn meðlima NANOGrav-teymisins.

Kemur frá dansi tröllaukinna svarthola

Þyngdarbylgjurnar sem LIGO-verkefnið greindi í fyrsta skipti árið 2015 voru eðlisólíkar þeim stanslausa nið sem NANOGrav afhjúpaði. Tíðni þeirra var mun hærri en þeirra sem NANOGrav nam enda eru þær taldar upprunar frá smærri svartholum á síðustu sekúndunum áður en þau rekast saman. 

Bakgrunnsniðurinn er talinn berast frá risavöxnum svartholum í miðju vetrarbrauta sem snúast hægt hvort um annað og geta tekið milljónir ára að renna saman í eitt, að því er segir í tilkynningu Caltech-háskóla í Kaliforníu um uppgötvunina. Sum þessara svarthola eru talin hafa massa sem er milljörðum sinni meiri en sólarinnar okkar.

„Það er eiginlega hálf ótrúlegt að það skuli hreinlega vera hægt að mæla þetta því öldurnar eru svo gríðarlega langar. Ímyndaðu þér öldur á hafinu sem berast á þrjátíu ára fresti eða sem nemur einu nanóriði,“ skrifar Sævar Helgi Bragason, ritstjóri Stjörnufræðivefsins.

Tugir tifstjarna notaðir sem mælitæki

Segja má að NANOGrav-teymið hafi notað stærsta „sjónauka“ alheimsins til þess að gera athuganir sínar. Til þess að nema þyngdarbylgjuniðinn fylgdust þeir með tugum svonefndra tifstjarna, nifteindastjörnum sem gefa frá sér útvarpsbylgjur í reglubundnum takti, víðsvegar um alheiminn yfir fimmtán ára tímabil. Þessar tæplega sjötíu tifstjörnur mynduðu í reynd saman eitt stórt mælitæki.

Tif nifteindastjarnanna er svo stöðugt og fyrirsjáanlegt að vísindamönnum hefur tekist að mæla það svo skeikar aðeins nanósekúndum á áratug. Vegna þess hversu hverfandi áhrif þyngdarbylgna á tímarúmið er gerir þessi fyrirsjáanleiki tifstjarnanna þær tilvaldar til þess að nema bylgjurnar.

Þegar þyngdarbylgjurnar gára tímarúmið breytist fjarlægðin á milli jarðar og tifstjarnanna örlítið og útvarpsmerkið frá þeim berst þannig örlítið fyrr eða örlítið seinna. Eðlisfræðingar NANOGrav notuðu net útvarpssjónauka á jörðu niðri til þess að vakta tifstjörnurnar og þróuðu sérstakan hugbúnað til þess að greina þennan agnarsmáa breytileika í tifi þeirra.

„Það væri hægt að ímynda sér það sem bauju á sjónum sem gefur frá sér tif en færist til og frá okkur til skiptist út af ölduganginum,“ segir Sævar Helgi.

Hjálpar til að skilja þróun vetrarbrauta

Vonir standa til þess að uppgötvun þyngdarbylgjuniðsins hjálpi stjarneðlisfræðingum að skilja betur samruna risasvartholta, hversu algengir þeir eru, hvað kemur þeim af stað og hvernig þyngdarbylgjurnar sjálfar myndast. Risasvarthol eru talin leika lykilhlutverk í myndun og þróun vetrarbrauta og samruni þeirra er talinn algengur í alheiminum.

„Fólk hefur reynt að finna samruna risasvarthola með sjónaukum í mörg ár. Það er að nálgast það og finna fleiri kandídata en vegna þess að svartholin eru svo þétt upp við hvort annað er erfitt að greina á milli þeirra. Það hjálpar okkur að skilja betur þessi ólíkindatól betur með því að hafa þyngdarbylgjur sem nýtt tæki,“ segir Katerina Chatziiouannou, aðstoðarprófessor í eðlisfræði við Caltech og meðlimur NANOGrav.

Sævar Helgi segir að niðurstöður NANOGrav komi ekki sérstaklega á óvart enda hafi vísindamenn lengi gert ráð fyrir að alheimurinn væri fullur af þyngdarbylgjum vegna samruna risavartholanna. Ekki sé enn hægt að útiloka fullkomlega að merkið sem teymið nam hafi verið tilviljun og því sé þörf á frekari rannsóknum.

Séu niðurstöðurnar aftur á móti réttar bendi það til þess að risasvarthol séu algengari og jafnvel enn massameiri en talið var.

„Við erum byrjuð að hlusta á alheiminn með því að kortleggja ölduganginn í honum með hjálp dauðra stjarna! Það er dálítið magnað,“ segir Sævar Helgi.