Hur man lyssnar på bakgrundsbrummandet av gravitationsvågor från alla svarta hål som kolliderar in i varandra
Den första upptäckten någonsin av gravitationsvågor (som ägde rum i september 2015 ) utlöste en revolution inom astronomi. Denna händelse bekräftade inte bara en teori som förutspåtts av Einsteins allmänna relativitetsteori ett sekel tidigare inledde det också en ny era där sammanslagning av avlägsna svarta hål, supernovor och neutronstjärnor kunde studeras genom att undersöka deras resulterande vågor.
Dessutom har forskare teoretiserat att sammanslagningar av svarta hål faktiskt kan vara mycket vanligare än man tidigare trott . Enligt a ny studie utförs av ett par forskare från Monash University, dessa sammanslagningar sker en gång varannan minut. Genom att lyssna på universums bakgrundsljud, hävdar de, kunde vi hitta bevis på tusentals tidigare oupptäckta händelser.
Deras studie, med titeln ' Optimal sökning efter en astrofysisk gravitationsvågbakgrund ', dök nyligen upp i tidskriftenFysisk granskning X. Studien genomfördes av Rory Smith och Eric Thrane, lektor respektive forskarassistent vid Monash University. Båda forskarna är också medlemmar i ARC Center of Excellence för upptäckt av gravitationsvågor (OzGrav).
Drs. Eric Thrane och Rory Smith. Kredit: Monash University
Som de säger i sin studie, varannan till var tionde minut, smälter ett par svarta hål av stjärnmassa ihop någonstans i universum. En liten del av dessa är tillräckligt stora för att den resulterande gravitationsvågen kan upptäckas av avancerade instrument som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory och Virgo-observatoriet. Resten bidrar dock till ett slags stokastiskt bakgrundsljud.
Genom att mäta detta buller kan forskare kanske studera mycket mer i form av händelser och lära sig mycket mer om gravitationsvågor. Som Dr Thrane förklarade på ett Monash-universitet pressmeddelande :
'Att mäta gravitationsvågsbakgrunden kommer att tillåta oss att studera populationer av svarta hål på stora avstånd. En dag kan tekniken göra det möjligt för oss att se gravitationsvågor från Big Bang, gömda bakom gravitationsvågor från svarta hål och neutronstjärnor.'
Drs Smith och Thrane är inga amatörer när det kommer till studier av gravitationsvågor. Förra året var de båda inblandade i ett stort genombrott, där forskare från LIGO vetenskapligt samarbete (LSC) och Jungfrusamarbete uppmätta gravitationsvågor från ett par sammansmältande neutronstjärnor . Detta var första gången som en sammanslagning av neutronstjärnor (aka. en kilonova) observerades i både gravitationsvågor och synligt ljus.
Paret ingick också i Advanced LIGO-teamet som gjorde den första upptäckten av gravitationsvågor i september 2015. Hittills har sex bekräftade gravitationsvågshändelser bekräftats av LIGO och Virgo Collaborations. Men enligt Drs Thrane och Smith kan det hända så många som 100 000 händelser varje år som dessa detektorer helt enkelt inte är utrustade för att hantera.
Konstnärens intryck av att slå samman binära svarta hål. Kredit: LIGO/A. Simonnet.
Dessa vågor är vad som går samman för att skapa en gravitationsvågbakgrund; och medan de enskilda händelserna är för subtila för att upptäckas, har forskare försökt utveckla en metod för att upptäcka det allmänna bruset i flera år. Förlitar sig på en kombination av datorsimuleringar av svaga svarta hålssignaler och massor av data från kända händelser, Drs. Thrane och Smith hävdar att de har gjort just det.
Från detta kunde paret producera en signal inom de simulerade data som de tror är bevis på sammanslagningar av svaga svarta hål. När vi blickar framåt hoppas Drs Thrane och Smith kunna tillämpa sin nya metod på riktiga data, och är optimistiska att det kommer att ge resultat. Forskarna kommer också att ha tillgång till den nya superdatorn OzSTAR, som installerades förra månaden på Swinburne University of Technology för att hjälpa forskare att leta efter gravitationsvågor i LIGO-data.
Den här datorn skiljer sig från de som används av LIGO-gemenskapen, som inkluderar superdatorerna på CalTech och MIT. Istället för att förlita sig på mer traditionella centralprocessorer (CPU) använder OzGrav grafiska processorenheter – som kan vara hundratals gånger snabbare för vissa applikationer. Enligt professor Matthew Bailes, chefen för superdatorn OzGRAv:
'Den är 125 000 gånger kraftfullare än den första superdatorn jag byggde på institutionen 1998... Genom att utnyttja kraften hos GPU:er har OzStar potentialen att göra stora upptäckter inom gravitationsvågsastronomi.'
Det som har varit särskilt imponerande med studiet av gravitationsvågor är hur det har fortskridit så snabbt. Från den första upptäckten 2015 har forskare från Advanced LIGO och Jungfrun nu bekräftat sex olika händelser och förväntar sig att upptäcka många fler. Utöver det kommer astrofysiker till och med på sätt att använda gravitationsvågor för att lära sig mer om de astronomiska fenomen som orsakar dem.
Allt detta möjliggjordes tack vare förbättringar av instrumentering och växande samarbete mellan observatorier. Och med mer sofistikerade metoder utformade för att sålla igenom arkivdata för ytterligare signaler och bakgrundsbrus, kommer vi att lära oss mycket mer om denna mystiska kosmiska kraft.
Vidare läsning: Monash , Fysisk granskning X