Omvandling från Nanohertz till Mikrohertz

Information om Nanohertz (nHz)

Nanohertzen är en frekvensenhet som motsvarar en miljarddels hertz. Beteckningen är nHz. En nanohertz är en cykel per miljard sekunder, knappt trettiotvå år, så en enda svängning vid denna frekvens varar längre än de flesta yrkesliv.

Nästan ingenting använder den, och så blev den 2023 en av fysikens mest omtalade enheter. Flera samarbeten kring pulsartidtagningsnät, verksamma oberoende av varandra på fyra kontinenter, rapporterade tecken på en bakgrund av gravitationsvågor i nanohertzbandet. Signalen tycks komma från par av supermassiva svarta hål som kretsar kring varandra i mitten av sammanslagna galaxer genom hela universums historia.

Mättekniken är märklig. Millisekundpulsarer är neutronstjärnor som snurrar hundratals gånger i sekunden och sänder ut en stråle som sveper förbi jorden med en utomordentlig regelbundenhet som tävlar med atomur. En gravitationsvåg som går genom galaxen töjer och pressar rummet mellan jorden och varje pulsar och ändrar pulsernas ankomsttider med några hundra nanosekunder. Genom att bevaka dussintals pulsarer i två decennier och söka ett bestämt mönster av samvariation mellan dem påvisar astronomer vågor vars våglängder mäts i ljusår.

Vid dessa frekvenser skulle inget instrument kunna arbeta på annat sätt. En detektor måste ha en storlek jämförbar med den våglängd den söker, och en gravitationsvåg på en nanohertz har en våglängd på tiotals ljusår. Galaxen själv är apparaten, och pulsarerna är dess märken.

I övrigt framträder enheten bara i de allra långsammaste av naturens cykler. Jordaxelns precession tar omkring 26 000 år, ungefär 1,2 nanohertz. Banvariationerna i excentricitet, axellutning och precession som ger istiderna deras takt, Milankovitchcyklerna, sträcker sig från omkring 0,5 nanohertz ned till en tiondel av det.

Under nanohertzen blir själva frekvensbegreppet ansträngt, eftersom ingenting har iakttagits tillräckligt länge för att en hel cykel ska ha setts, och värdet härleds ur teorin i stället för att räknas.

En nanohertz motsvarar 0,000000001 hertz, en cykel per miljard sekunder eller 0,001 mikrohertz.

Information om Mikrohertz (µHz)

Mikrohertzen är en frekvensenhet som motsvarar en miljondels hertz. Beteckningen är µHz. En mikrohertz är en cykel per miljon sekunder, drygt elva och ett halvt dygn, så enheten mäter företeelser som återkommer på veckors, månaders eller års skala.

Asteroseismologin är där den används mest. Stjärnor svänger, och frekvenserna hos dessa svängningar beror av deras inre uppbyggnad på samma sätt som en klockas tonhöjd beror av form och godstjocklek. Solliknande stjärnor klingar vid några tusen mikrohertz, röda jättar vid några tiotal och de största utvecklade stjärnorna under ett. Rymdteleskop som Kepler och TESS mätte dessa frekvenser för hundratusentals stjärnor genom att se deras ljusstyrka variera med några miljondelar.

Tekniken ger storheter som ingen annan metod kan lämna. Ur svängningsspektrum härleder en astronom en stjärnas massa, radie och ålder, och en stjärnas ålder är annars nästan omöjlig att bestämma. Det är så åldrarna hos planetbärande stjärnor, och därmed hos deras planetsystem, i dag fastställs.

Även gravitationsvågsastronomin har gjort anspråk på bandet. Det planerade rymdobservatoriet LISA ska bli känsligt mellan ungefär 100 mikrohertz och en hertz, ett område som rymmer sammansmältande supermassiva svarta hål och de många tusen tätt liggande dubbelvita dvärgarna i vår egen galax. Markbundna detektorer når inte dessa frekvenser eftersom seismiskt brus dränker dem.

Geofysiken använder enheten för de långsammaste tidvattenkomponenterna, däribland de fjortondagars och månatliga måntidvattnen och de halvårs- och årsvisa soltidvattnen, som tillsammans ger de långperiodiska variationer som tidvattenprognoser måste räkna med. Poljorden, vaggandet hos jordens rotationsaxel, har en period på fjorton månader vilket motsvarar omkring 0,8 mikrohertz.

Klimat- och havsvetenskapen når ännu lägre. El Niño-södra oscillationen återkommer oregelbundet vartannat till vart sjunde år, långt under en hundradels mikrohertz, och långa iskärnor upplöser ännu långsammare cykler.

Jorden själv ger ett läroboksexempel. Dess rotationsaxel vandrar i en liten cirkel med en period på omkring 433 dygn, den Chandlerska vaggningen som upptäcktes 1891, vilket är en frekvens på ungefär 0,027 mikrohertz. Att påvisa den krävde årtionden av positionsastronomi, ty en så långsam signal kan skiljas från driften bara genom att många cykler iakttas. Det är bandets allmänna villkor: en mätning vid en mikrohertz kräver en registrering på minst några miljoner sekunder, helst några tiotals miljoner, så instrument måste vara stabila i åratal innan deras data kan läsas. Enheten hör därför till de tålmodiga vetenskaperna och inte till de snabba.

En mikrohertz motsvarar 0,000001 hertz, en cykel per miljon sekunder eller 1000 nanohertz.