Combining astrometry with pulsar timing: the first joint analysis of very low frequency gravitational waves
تقدم هذه الورقة أول تحليل مشترك لبيانات القياس الفلكي من مهمة "جايا" وتوقيت النبضات النابضة الثنائية للبحث عن موجات جاذبية مستمرة ذات تردد فائق الانخفاض، حيث لم تجد أي كشف ذي دلالة ولكنها وضعت أضيق الحدود العليا حتى الآن على سعة الانفعال في نطاق البيتازهرتز مع إثبات قوة الجمع بين الملاحظات المتعامدة لكسر حالات التحلل المكاني.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
على مدى عقود، همس الكون بأعمق أسراره من خلال تموجات في نسيج الزمكان نفسه. هذه التموجات، المعروفة باسم الأمواج الثقالية، تولد عندما تصطدم الأجسام الضخمة مثل الثقوب السوداء أو تلتف حول بعضها البعض. وبينما نجحت الكواشف الموجودة على الأرض في التقاط "الزقزقات" الحادة وعالية النبرة لهذه الاصطدامات، فإن نطاقاً شاسعاً وصامتاً من الترددات لا يزال غير مستكشف إلى حد كبير. هذا هو عالم الترددات البطيئة جداً والمنخفضة جداً، حيث تمتد الأمواج عبر سنوات أو حتى آلاف السنين. في هذه المنطقة الهادئة، يشتبه العلماء في أنهم قد يجدون الاقتراب البطيء والرشيق للثقوب السوداء فائقة الكتلة قبل اصطدامها بفترة طويلة، أو ربما حتى أصداءً من ولادة الكون نفسه. وللسماع إلى هذه الإشارات الخافتة، يجب على الباحثين البحث عن الانزياحات الطفيفة طويلة الأمد التي تسببها في مواضع النجوم البعيدة وفي دقات الساعات الكونية، بدلاً من الهزات المفاجئة للاصطدام.
لقد اتخذ فريق من علماء الفلك الآن الخطوة الأولى في الاستماع إلى هذا التردد البطيء من خلال الجمع بين طريقتين مختلفتين تماماً لمراقبة السماء. فقد جمعوا بين بيانات من تلسكوب فضائي يرسم خرائط لمواقع ملايين المجرات البعيدة وشبكة من النباضات (Pulsars) — وهي نجوم نيوترونية تدور بسرعة وتعمل كأدق الساعات في المجرة. ومن خلال دمج هاتين المجموعتين المستقلتين من الملاحظات، ابتكر الباحثون طريقة جديدة للبحث عن الهمهمة المستمرة ومنخفضة التردد للأمواج الثقالية. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان الانزياح البطيء لهذه الأجرام السماوية يتطابق مع النمط المتوقع لمرور موجة، أم أن الكون ظل صامتاً في هذا النطاق المحدد.
بدأ الباحثون بجمع مجموعة ضخمة من البيانات. فمن مهمة "غايا" (Gaia) التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية، استخدموا فهرساً يحتوي على القياسات الحركية لحوالي 1.5 مليون من الكوازارات (Quasars). وهذه الكوازارات هي نوى ساطعة ونشطة لمجرات بعيدة، وهي بعيدة جداً لدرجة أن حركتها الخاصة تعتبر مهملة؛ لذا فإن أي تغير في موضعها الظاهري يكون ناتجاً على الأرجح عن قوى خارجية. وبالتزامن مع ذلك، جمعوا بيانات التوقيت من أحد عشر نظاماً من النباضات الثنائية، حيث يدور نباض حول نجم مرافق. في هذه الأنظمة، يمكن قياس الوقت الذي يستغرقه النباض لإكمال مداره بدقة متناهية. فإذا مرت موجة ثقالية، فمن المفترض أن تسرع أو تبطئ المدار قليلاً، تماماً كما ينبغي أن تدفع الموضع الظاهري للكوازارات البعيدة.
ولإنجاح هذه المقارنة، كان على الفريق توخي الحذر الشديد لاستبعاد الأسباب الأخرى لهذه التحركات. فالنجوم والنباضات لا تتحرك في فراغ تام؛ بل تتأثر بجاذبية مجرتنا درب التبانة، وحركة نظامنا الشمسي، والدوران الطبيعي للنباضات نفسها. وقد بنى الباحثون نموذجاً معقداً لأخذ كل هذه التأثيرات المعروفة في الاعتبار، بما في ذلك الكتلة والشكل غير المؤكدين لسحب الجاذبية في المجرة. كما توجب عليهم تصفية "الضجيج" الناتج عن الأدوات والخصائص الغريبة لعملية جمع البيانات. وفقط بعد تجريد هذه التأثيرات المعروفة، استطاعوا البحث عن التوقيع الخافت لموجة ثقالية.
عندما دمج الفريق البيانات من الكوازارات والنباضات، لم يجدوا أي دليل على وجود الأمواج الثقالية المستمرة التي كانوا يبحثون عنها. كانت تحركات النجوم وتوقيت النباضات متسقة مع ما قد يحدث في حال عدم وجود مثل هذه الأمواج. أظهر التحليل الإحصائي أن البيانات لم تدعم وجود إشارة في هذا النطاق الترددي. وبدلاً من العثัง على إشارة، استخدم الباحثون هذا الصمت لوضع حد جديد وأكثر صرامة لمدى قوة هذه الأمواج المحتملة. لقد حددوا أنه إذا كانت هذه الأمواج موجودة بالتردد الذي درسوه، فإن قوتها يجب أن تكون أقل من قيمة محددة وصغيرة للغاية. وهذا الحد أدق من أي محاولة سابقة لقياس هذا النوع المحدد من الأمواج، حيث تفوق على النتائج السابقة بنحو 20 إلى 30 بالمائة.
كما نظرت الدراسة إلى المستقبل، مستخدمةً عمليات محاكاة حاسوبية للتنبؤ بما سيحدث عندما تتوفر النسخة الكبرى التالية من بيانات تلسكوب "غايا". ومع المزيد من سنوات المراقبة والقياسات الأكثر دقة، تشير نماذج الفريق إلى أن هذا النهج المدمج يمكن أن يصبح قريباً حساساً بما يكفي لرصد أمواج أضعف حتى من حدّهم الحالي. ووجدوا أنه مع البيانات القادمة، يمكن لهذه الطريقة أن تكسر حاجزاً هاماً في الحساسية، مما يفتح الباب لرصد أمواج ظلت غير مرئية حتى الآن. ورغم أن البحث الحالي لم يسفر عن نتيجة، إلا أن الطريقة نفسها أثبتت نجاحها، مبرهنةً على أن دمج خريطة السماء للمجرات البعيدة مع دقات الساعات الكونية هو وسيلة قوية لاستكشاف أكثر ترددات الكون هدوءاً.
يمثل هذا العمل فصلاً جديداً في البحث عن الأمواج الثقالية، حيث ينتقل من رصد الاصطدامات الصاخبة للثقوب السوداء إلى الاستماع إلى الاقتراب البطيء والمستمر للعمالقة. ومن خلال إثبات أن نوعين مختلفين من البيانات الفلكية يمكن نسجهما معاً لخلق "أذن" أكثر حساسية، مهد الباحثون الطريق لاكتشافات مستقبلية. ورغم أنهم لم يجدوا الأمواج هذه المرة، إلا أنهم شحذوا الأدوات اللازمة للعثور عليها، مما يقربنا أكثر من فهم الرقصة البطيئة والمستمرة لأكثر الأجرام ضخامة في الكون.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.