Un sunet de fundal strabate intreg universul

Un sunet de fundal strabate tot universul. Oamenii de stiinta se grabesc sa-i gaseasca sursa.

Astronomii cauta acum sa identifice originile unei noi forme interesante de unde gravitationale care a fost anuntata la inceputul acestui an.

In iunie, o noua era in astronomie a inceput odata cu descoperirea aparenta a undelor gravitationale de joasa frecventa, zumzetul ambiental al ondulatiilor spatiu-timp care patrund in univers.

Anuntul a venit in urma unei colaborari uriase a cercetatorilor din intreaga lume. Grupuri din SUA, Europa, India, Australia si China lucreaza fiecare la propriile experimente si isi reunesc datele pentru a imbunatati rezultatul.

Cu dovezi pentru aceste unde gravitationale nemaivazute pana acum, toate aceste echipe aduna acum febril mai multe date pentru un obiectiv mai maret: sa inteleaga exact de unde vine cu adevarat acest sunet de fundal.

Multi experti banuiesc ca zumzetul provine in cea mai mare parte de la perechile de gauri negre supermasive care danseaza impreuna in procesul treptat de fuziune.

Insa, acest sunet de fundal ar putea proveni din surse si mai ciudate, care ar putea reprezenta noi ramuri palpitante ale fizicii.

„Suntem chiar la inceputul domeniului”, spune Chiara Mingarelli de la Universitatea Yale, parte a colaborarii conduse de SUA, NANOGrav.

Radiotelescoape pentru descoperirea originii acestui sunet de fundal

Anuntul a venit pe 28 iunie de la NANOGrav si de la celelalte asa-numite matrice de temporizare a pulsarilor (PTA), care folosesc radiotelescoape pentru a urmari timpul precis de sosire a fulgerelor regulate de la pulsari, stele neutronice care se rotesc rapid lasate in urma dupa supernove.

Folosind zeci de pulsari si monitorizand timpii de sosire a impulsurilor cu o precizie la scara de nanosecunde, acestia pot discerne undele gravitationale de fundal care trec prin sistemul nostru solar.

Astfel de valuri micsoreaza usor sau extind spatiul de interventie dintre planeta noastra si pulsarii vizati, creand compensatii semnalizatoare in timpii de sosire a impulsurilor.

Rezultatul uimitor urmeaza unei epoci anterioare de descoperire, care a inceput in 2015, cand Observatorul de unde gravitationale cu interferometru cu laser (LIGO) a detectat pentru prima data undele gravitationale produse de ciocnirea gaurilor negre de masa stelara si a stelelor neutronice.

LIGO, omologul sau european Virgo si alte observatoare similare isi continua vanatoarea pentru aceste unde gravitationale.

Dovezile pentru un sunet de fundal al undelor gravitationale de joasa frecventa provin de la un total de 115 pulsari care au fost observati de-a lungul mai multor ani de mai multe echipe.

Acum se fac eforturi pentru a combina toate acele date de sincronizare a pulsarilor intr-un singur set de date, ca parte a International Pulsar Timing Array (IPTA), care va imbunatati sensibilitatea generala a setului de date.

„Lucram la asta impreuna”, spune Mingarelli. „Avem cate un reprezentant de la fiecare PTA, care lucreaza pentru a incepe sa combinam datele.” Acest efort colectiv este in desfasurare deja de doi ani si se asteapta sa apara rezultate mai concludente pana la sfarsitul anului 2023 sau in 2024.

„Acesta va fi cel mai sensibil set de date ale matricei de sincronizare a pulsarilor care a fost creat vreodata.” spune Nihan Pol de la Universitatea Vanderbilt.

Implicarea Chinei si alte proiecte de viitor

Implicarea ambivalenta a Chinei in alaturarea eforturilor IPTA complica oarecum lucrurile. „Nu fac parte din acordul pentru aceasta publicare de date”, spune Scott Ransom de la Observatorul National de Radio Astronomie (NRAO) din Virginia.

Echipa chineza Pulsar Timing Array se afla intr-o pozitie de invidiat, deoarece are acces nelimitat la uriasul radiotelescop sferic cu deschidere de cinci sute de metri (FAST) din regiunea de sud-vest a tarii.

FAST este mult mai sensibil decat orice radiotelescop existent in prezent si de doua ori mai puternic decat Telescopul Arecibo din Puerto Rico, care s-a prabusit in 2020.

De exemplu, desi PTA din China si-a petrecut doar trei ani pentru cronometrarea pulsarilor cu FAST, a reusit totusi sa gaseasca indicii similare de unde gravitationale de joasa frecventa. In schimb, a fost nevoie de 15 ani pentru ca NANOGrav sa le descopere.

Totusi, este putin probabil ca FAST sa domine terenul pentru totdeauna. In prezent, cel mai bun radiotelescop pentru sincronizarea pulsarilor este MeerKAT, o colectie de 64 de “farfurii” din Africa de Sud, care va avea propriile date adaugate la eforturile actuale ale IPTA.

Un proiect de 2.000 de “farfurii” planificat pentru Nevada numit DSA-2000 (Deep Synoptic Array) ar putea fi la fel de promitator. Un sfert din timpul sau este setat sa fie dedicat observarilor de sincronizare a pulsarilor NANOGrav.

Iar viitoarea matrice de kilometri patrati (SKA) din Australia si Africa de Sud, care va avea aproximativ 200 de antene pana in 2028, cu alte mii de urmat, ar trebui, cel putin, sa se potriveasca cu capacitatile FAST.

O harta mai detaliata a acestui sunet de fundal

Indiferent de preocuparile geopolitice, astronomii de pe tot globul sunt uniti in nerabdarea lor de a gasi sursa acestui sunet de fundal de unde gravitationale.

Prin adunarea si compararea timpilor a cat mai multor pulsari, ei spera sa inceapa sa construiasca o harta mai detaliata pe cer a acestui sunet de fundal.

Daca perechile de gauri negre supermasive aflate in spirala mortii sunt cauza, ele ar trebui sa apara in cele din urma ca „puncte fierbinti” pe aceasta harta.

Daca astfel de puncte fierbinti pot fi identificate, totusi, atunci astronomii ar putea incepe sa cerceteze detaliile perechilor de gauri negre supermasive.

„Am fi capabili sa aflam cat de departe sunt binarele”, spune Caitlin Witt de la Universitatea Northwestern, precum si masele gaurilor negre constitutive.

Alte telescoape ar putea apoi sa scruteze si sa studieze imprejurimile cosmice ale gaurilor negre, dezvaluind mai multe despre rolul pe care acesti giganti gravitationali il joaca in cresterea si evolutia galactica.

„O gaura neagra binara supermasiva captata de un PTA va fi urmata de tot felul de observatii electromagnetice si de neutrini si chiar de fotografii ale acestor lucruri”, spune Achamveedu Gopakumar de la Institutul Tata de Cercetare Fundamentala din Mumbai.

Pol a cautat deja astfel de puncte fierbinti in observatiile disponibile PTA, cautand in date semne de anizotropie, adica semne de variatie si structura, mai degraba decat omogenitate fara forma.

Desi neconcludente din punct de vedere statistic, rezultatele arata indicii provizorii ale unor puncte fierbinti, cum ar fi unul catre Clusterul Fecioarei, un grup mare de galaxii la aproximativ 50 de milioane de ani lumina de Pamant.

„Vedem cateva caracteristici interesante”, spune el. „Dar chiar avem nevoie de mai multe date.”

Ipoteza tranzitiilor de faza si teoria corzilor

Pana acum, potentialele puncte fierbinti par sa se coreleze cu regiunile cerului in care au fost folositi mai putini pulsari in seturile de date, ceea ce inseamna ca anizotropia poate fi pur si simplu un artefact asemanator cu un miraj al colectarii de date.

Daca, in urmatorii cativa ani, nu apare nicio anizotropie, acest fapt ar putea indica lucruri mai ciudate ca sursa a acestui sunet de fundal al undelor gravitationale de joasa frecventa.

O posibilitate este ca acestea sunt ramasitele „tranzitiilor de faza” din universul timpuriu, care au fost cauzate de expansiunea cosmica rapida la scurt timp dupa Big Bang.

„O tranzitie de faza este ca modul in care apa fierbinte trece de la lichid la gaz”, spune Andrea Mitridate de la Sincrotronul de electroni german (DESY).

„In oala cu apa clocotita, se formeaza aceste bule de gaz care se extind si se ciocnesc. Ceva similar ar putea avea loc in plasma universului primordial.”

Astfel de tranzitii de faza ar putea da nastere unor corzi cosmice, care se pot deforma si rupe pe masura ce se unduiesc prin univers, producand unde gravitationale.

Corzile cosmice si alte fenomene speculative nu pot fi inca excluse decat daca PTA-urile incep sa vada surse individuale care indica binare de gauri negre supermasive.

O noua antena va cauta originea acestui sunet de fundal din univers

O alta vanatoare de unde gravitationale va completa matricele de sincronizare a pulsarilor. Pe langa eforturile in curs de desfasurare ale LIGO, in acest an se asteapta ca Agentia Spatiala Europeana (ESA) sa avanseze cu dezvoltarea antenei sale spatiale cu interferometru laser (LISA).

Acest grup de trei nave spatiale va fi la o distanta de 2,5 milioane de kilometric. Vor trage cu lasere una asupra celeilalte, la mijlocul anilor 2030, pentru a cauta unde gravitationale care ar putea veni de la perechi de pitice albe, nucleele ramase in urma atunci cand stelele precum soarele nostru mor.

LISA poate chiar sa vada impulsurile produse atunci cand binarele supermasive ale gaurilor negre se imbina in cele din urma.

Pentru astronomii undelor gravitationale, exista o incantare extraordinara legata de aparitia tuturor acestor noi informatii.

S-au intrebat atat de mult timp daca aceste ondulatii in spatiu-timp, prezise pentru prima data de Albert Einstein in urma cu un secol, ar fi detectabile.

Cu acele indoieli persistente aproape inlaturate, frontierele unui taram cu totul nou al astronomiei ies la vedere. „Este un moment privilegiat sa te afli in acest domeniu”, spune Taylor. „Este o goana dupa aur.”

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

---

Sursa: scientificamerican.com, quantamagazine.org, newscientist.com.

Foto: Olena Shmahalo, Chris Mihos (Case Western Reserve University)/ESO.

---

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.