يمكن لعلم فلك الموجات الثقالية حاليًا اكتشاف الأحداث السريعة القوية فقط مثل اندماج النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية. لقد نجحنا كثيرًا في إيجاد اندماجات للثقوب السوداء ذات الكتلة البينجمية ، لكن الهدف طويل المدى هو إيجاد اندماجات للثقوب السوداء فائقة الكتلة.
يمكن للثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية أن تكون عشرات من الكتل الشمسية ، والثقوب السوداء الهائلة يمكن أن تكون ملايين أو مليارات من الكتل الشمسية. هذا يعني أن النطاق الزمني لدمج الثقوب السوداء الهائلة ليس بالثواني ، بل السنوات أو العقود. فبدلاً من الهمهمة السريعة لموجات الجاذبية التي نلاحظها مع اندماجات الكتلة النجمية ، فإن صوت الاندماج الهائل يكون بطيئًا جدًا بحيث لا يمكن ملاحظته مباشرة من قبل المراصد مثل LIGO. حتى تلسكوب الموجات الثقالية LISA المخطط له في الفضاء لن يكون كبيرًا بما يكفي لرؤية واحد. أطوال موجات الجاذبية طويلة جدًا.
لكن ورقة بحثية جديدة نشرها مشروع NANOGrav توضح كيف يمكننا ملاحظة اندماج الثقوب السوداء الهائلة. بدلاً من اقتراح مختبر موجات جاذبية عملاق ، يدرس نانوغراف النبضات الراديوية للنجوم النابضة بالمللي ثانية. تدور هذه النجوم النابضة بسرعة كبيرة لدرجة أنها تصدر نبضات من الضوء الراديوي تقريبًا ألف مرة في الثانية. دقاتها منتظمة لدرجة أنها تستخدم كساعات كونية.
لأكثر من عقد من الزمان ، راقب NANOGrav نبضات من النجوم النابضة تبلغ 45 مللي ثانية ، بحثًا عن تغييرات طفيفة في توقيتها. عندما تنتقل موجات الجاذبية طويلة الموجة عبر الفضاء فإنها تغير النجوم النابضة قليلاً ، وتغير توقيت النبضات التي نلاحظها. من خلال النظر إلى التغييرات الإحصائية الإجمالية للعديد من النجوم النابضة ، يمكننا اكتشاف التأثير الواسع النطاق لموجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء الهائلة.
هذه الفكرة لا تخلو من التحديات. أحد الأسباب هو ما يسمى بالضوضاء الحمراء. على الرغم من أن النجوم النابضة بالمللي ثانية لها نبضات راديوية منتظمة إلى حد ما ، إلا أنها تتمتع بقدر ضئيل من الاختلاف. قد يكون للنجوم النيوترونية ديناميات داخلية أو تغيرات حرارية تغير معدل النبض. هذه التحولات شائعة بين النجوم النابضة ، مما يعني أنه عندما ترصد العديد منها ، فإن “الضوضاء الحمراء” في الخلفية تبدو وكأنها انتقال لموجة الجاذبية.
في هذه الدراسة ، يبحث الفريق في كيفية ظهور تأثيرات موجات الجاذبية للوهلة الأولى على أنها ضوضاء حمراء ، وكيف يمكننا تمييز الضوضاء الحمراء عن موجات الجاذبية الحقيقية. لم تكتشف الدراسة بعد أي نبضات موجات ثقالية ، لكنها تضع بعض القيود العليا على ملاحظات موجات الجاذبية. كانوا قادرين على إثبات أنه لم تحدث اندماجات للثقوب السوداء كتلتها مليار كتلة شمسية في غضون 300 مليون سنة ضوئية.
مع المزيد من الملاحظات ، سيتم تشديد هذا القيد ، مما يعني أنه يمكنهم ملاحظة اندماج ثقب أسود كتلته مليون كتلة شمسية في هذا النطاق ، أو مليار كتلة شمسية على مسافات أكبر. لذا فهي مسألة وقت فقط قبل أن يرصدوا اتصالًا على نطاق المجرة ويستنبطون علم فلك الموجات الثقالية من الضوضاء الحمراء.
ملحوظة: ويت ، كيتلين ، وآخرون. “مجموعة بيانات NANOGrav التي تبلغ مدتها 12.5 عامًا: قيود بايزي على موجات الجاذبية من الثنائيات الفردية للثقب الأسود فائقة الكتلة. ” نشرة الجمعية الفيزيائية الأمريكية (2023)