پالسارها نشان می‌دهند که امواج گرانشی با فرکانس بسیار پایین در حال تکان خوردن در کیهان هستند. سیگنالی که توسط همکاری‌های بین‌المللی زمان‌سنجی پالسارها در سال 2023 مشاهده شده، ممکن است از یک پس‌زمینه تصادفی از امواج گرانشی ناشی شود که نتیجه ترکیب چندین منبع دوردست است یا از یک جفت نزدیک از سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ نشأت بگیرد.

برای تفکیک این دو حالت، هیده‌کی آسادا Hideki Asada، فیزیکدان نظری و استاد دانشگاه هیرساکی، و شون یاماموتو Shun Yamamoto، محقق در دانشکده تحصیلات تکمیلی علم و فناوری دانشگاه هیرساکی، روشی را پیشنهاد می‌دهند که از پدیده‌های ضربانی بین امواج گرانشی با فرکانس تقریباً مشابه بهره می‌برد و به دنبال اثر آن در تغییرات کوچک زمان رسیدن پالس‌های رادیویی پالسارها می‌گردد. این پژوهش در «ژورنال کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات» به چاپ رسیده است.

آسمان پر از "ساعت‌های کیهانی" با دقت فوق‌العاده است: پالسارها، ستاره‌های نوترونی که پالس‌های رادیویی را در فواصل منظم منتشر می‌کنند، مشابه تیک‌تاکی ثابت. تلسکوپ‌های رادیویی بر روی زمین این تناوب را نظارت می‌کنند نه تنها برای مطالعه خود پالسارها، بلکه به عنوان ابزاری برای بررسی کیهان. اگر چیزی نامرئی — تقریباً مانند یک "روح کیهانی" — فضای‌زمان را در مسیر بین یک پالسار و زمین دچار انحراف کند، نظم پالس‌ها دچار تغییر می‌شود. این انحراف تصادفی نیست: انحرافات مشابهی در پالسارها در برخی مناطق آسمان مشاهده می‌شود، گویا موجی موج‌دار در حال حرکت است.

آسادا می‌گوید: "در سال 2023، چندین همکاری زمان‌سنجی پالسار — NANOGrav در ایالات متحده و تیم‌های اروپایی — شواهد قوی برای امواج گرانشی با فرکانس نانوهرتز را اعلام کردند." نانوهرتز به معنی دوره‌های موجی از چند ماه تا چند سال با طول‌موج‌هایی معادل چند سال نوری است. برای بررسی چنین مقیاس‌هایی، به پالسارهای دوردست و پایداری که صدها تا هزاران سال نوری فاصله دارند، تکیه می‌کنیم. او ادامه می‌دهد: "این سیگنال از نظر آماری قابل اعتماد بود، اما زیر آستانه 5 سیگما که معمولاً فیزیکدان‌های ذره‌ای نیاز دارند، قرار داشت. این یک شواهد قوی است اما هنوز یک شناسایی تأییدشده نیست، اما جامعه کیهان‌شناسی و اخترشناسی بر این باور است که ما به شناسایی نخستین امواج گرانشی نانوهرتز نزدیک می‌شویم."

در حال حاضر، اطمینان زیر آستانه استاندارد طلایی است؛ اگر داده‌های آینده آن را تأیید کنند، آسادا استدلال می‌کند که چالش بعدی شناسایی منبع است. او توضیح می‌دهد: "دو منبع اصلی برای امواج گرانشی نانوهرتز وجود دارد. یکی تورم کیهانی است که باید نوسانات فضازی-زمانی را در اوایل کیهان ایجاد کرده باشد که بعدها به مقیاس‌های کیهانی کشیده شده است. دیگر جفت‌های سیاه‌چاله فوق‌العاده بزرگ هستند که زمانی به وجود می‌آیند که کهکشان‌ها ادغام می‌شوند. هر دو سناریو می‌توانند امواج گرانشی نانوهرتز تولید کنند." مشکل این است که الگوهای همبستگی در داده‌های پالسار- نحوه همبستگی باقی‌مانده‌های زمانی از پالسارهای مختلف- مدت‌ها تعبیه شده بود که در هر دو حالت یکسان به نظر می‌رسند. آسادا می‌گوید: "در مقاله ما، وضعیتی را بررسی کردیم که یک جفت نزدیک از سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ سیگنالی به‌ویژه قوی تولید می‌کند." "اگر چنین دو سیستمی فرکانس‌های بسیار مشابه داشته باشند، امواج آن‌ها می‌توانند تداخل کرده و الگوی ضربانی ایجاد کنند، مانند آکوستیک. این ویژگی ممکن است در اصل به ما اجازه دهد تا آن‌ها را از پس‌زمینه تصادفی تورم تفکیک کنیم."

بنابراین آسادا و یاماموتو از یک اثر آکوستیکی آشنا استفاده می‌کنند: ضربان. هنگامی که دو موج تقریباً — اما نه دقیقاً — فرکانس یکسان دارند، ترکیب آن‌ها باعث ایجاد قدرت و ضعف دوره‌ای می‌شود. این روش می‌تواند با امواج گرانشی اعمال شود، به طوری که دو جفت سیاه‌چاله فوق‌العاده بزرگ با فرکانس‌های مشابه، یک مدولاسیون خاص در سیگنال زمان‌سنجی پالسار به‌جای می‌گذارند. روش این است که به دنبال این مدولاسیون — "ضربان" — در الگوهای همبستگی پالسارها بگردیم. اگر این ویژگی وجود داشته باشد، به‌طور قوی به این نکته اشاره می‌کند که سیگنال یک پس‌زمینه پراکنده نیست بلکه از جفت‌های خاص و نسبی نزدیک نشأت می‌گیرد. آسادا در پایان می‌گوید: "من فکر می‌کنم وقتی که یک شناسایی تأییدشده در سطح 5 سیگما حاصل شود، شاید در مدت چند سال آینده، مرحله بعدی این خواهد بود که بپرسیم: منبع این امواج چیست؟ در آن نقطه، روش ما می‌تواند در تشخیص این‌که آیا آن‌ها از تورم کیهانی ناشی می‌شوند یا از جفت‌های نزدیک سیاه‌چاله فوق‌العاده بزرگ مفید باشد."

منبع:

?Can we hear gravitational-wave beats in the rhythm of pulsars

اطلاعات بیشتر:

Shun Yamamoto et al, Can we hear beats with pulsar timing arrays?, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2025). On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2501.13450