行方不明の重力波はどこにありますか？

from 会話

—この投稿の作成者 ポール・ラスキー, モナッシュ大学 及び ライアンシャノン, CSIRO

中性子星 –古くて燃え尽きた星の死んだ恒星の残骸–は、宇宙で最も極端な物体のいくつかです。 それらは太陽全体と同じくらいの重さですが、シドニーのCBDに収まるほど小さく、毎秒最大700回回転します。 想像してみてください。星全体が最速のキッチンブレンダーよりも速く回転します。

天文学者は数千の中性子星を知っていますが、特にXNUMXつは傑出しています。 の一部として パークスパルサータイミングアレイ、パルサーJ1909-3744を CSIROのパークス無線望遠鏡 11年。

この間、私たちは中性子星の116億回転（正確には115,836,854,515）のすべてを説明しました。 この星の自転周期は小数点以下15桁までわかっており、宇宙で最も正確な時計のXNUMXつとなっています。

しかし、私たちが示すように 紙 ジャーナルScienceに本日発表されましたが、このようになるはずはありませんでした。 重力波 宇宙のすべてのブラックホールから、このパルサーのタイミング精度を台無しにすることになっていました。 しかし、そうではありません。

パークス望遠鏡を使用して、通過する重力波の兆候がないかパルサーを綿密に監視しました。 CSIRO、著者提供

巨大な衝突

重力波が伸びて空間を圧迫し、私たちと中性子星の間の距離を変化させます。 私たちが探していた重力波は、その距離を約3.6メートル変えるはずでした。これは、この中性子星が地球から約1019 x 3.6メートル（19で、XNUMX個のゼロが続く）であることを考えると、ごくわずかです。 しかし、これは私たちの測定値に現れるのに十分だったはずです。

しかし、私たちの測定値が非常に正確であるという事実は、理論に何か問題があることを示しています。 これは、重力波が存在しないという意味ではありません。 軌道から外れているかもしれない宇宙の私たちの理解の他の側面があります。

この難問に対する解決策がどうであれ、宇宙で最も巨大なブラックホールを理解する方法を変えることは確実です。

私たちの銀河の中心には、太陽の質量のXNUMX万倍以上の重さのブラックホールがあります。 しかし、これは軽量です。 他の銀河には、重さのあるブラックホールが含まれています 私たちの太陽の17億倍以上の質量.

そして、すべてではないにしても、ほとんどの銀河のコアに超大質量ブラックホールが含まれていると信じるに足る理由があります。 また、宇宙全体の銀河は互いに融合することによって成長することも知っています。

任意のXNUMXつの銀河の合併に続いて、親銀河からのXNUMXつのブラックホールは娘銀河の中心に沈み、超大質量ブラックホール連星ペアを形成します。 ある時点で、バイナリペアのその後の進化は重力波の放出によって支配されるようになります。

ハッブル宇宙望遠鏡の行為で捕らえられた銀河の融合。 ウィキメディア

時空の波紋

重力波 時空の構造の小さな波紋であり、アルバートアインシュタインの直接の結果です 一般相対性理論。 今年の100月に生誕XNUMX周年を迎えます。

XNUMXつのブラックホールが互いに渦巻いているとき、それらは重力波を放出するはずです。 これらはエネルギーをシステムから運び去り、XNUMXつのブラックホールを互いに近づけます。

宇宙のすべてのバイナリ超大質量ブラックホールの合計は、重力波の背景を生成するはずです（ 宇宙マイクロ波背景）。 PSR J1909-3744の正確なタイミングを台無しにすることが予想されたのは、この背景です。

天体物理学者は、背景の強さについて多くの予測を行ってきました。 これらの予測には、銀河の形成と進化の最先端の測定値と、ビッグバンに続いて宇宙がどのように進化するかについての最も洗練された理論モデルが組み込まれています。

なぜ重力波がないのですか？

しかし、私たちは検出の欠如を非常に明確にしたいと思います しない アインシュタインの相対性理論が間違っていることを意味するものでも、重力波が存在しないことを意味するものでもありません。 実際の解決策はわかりませんが、いくつかのアイデアがあります。

おそらく、宇宙のすべての銀河に超大質量ブラックホールが含まれているわけではありません。 モデル内の超大質量ブラックホールをホストする銀河の割合を減らすと、重力波のバックグラウンドの予測される振幅が減り、観測で検出できなくなる可能性があります。

おそらく、私たちは、ホスト銀河の質量とブラックホールの質量との関係を理解し​​ていません。 銀河とブラックホールの質量の間の経験的関係を使用して、後者を決定します。 これらはローカル宇宙で堅牢であると信じていますが、ブラックホールの合併は、これらの経験的関係の理解が完全にはほど遠い、私たちから数十億光年離れた場所で発生することに最も敏感です。

おそらく、合併を推進するプロセスに関する私たちの仮定のXNUMXつは単純すぎます。 たとえば、銀河の中心に大量のガスが含まれている場合、それは余分な摩擦力のように作用し、ブラックホールが予想よりも早く互いに融合する原因となる可能性があります。 これはまた、重力波の背景の予想よりも小さい振幅を引き起こします。

現時点では、これらのシナリオのそれぞれが等しくもっともらしいです。 パルサーの継続的な観測、および大型光学望遠鏡による遠方の宇宙の観測により、すぐにこれらのアイデアを区別できるようになるかもしれません。 そして、ある日、私たちが探している重力波の存在の直接的な証拠をついに見つけるかもしれません。

ポール・ラスキー、重力波天体物理学のポスドク、 モナッシュ大学 及び ライアンシャノン、カーティン大学電波天文学研究国際センター研究員、 CSIRO

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