Вы, возможно, не слышали, но вселенная буквально гудит от гравитационного излучения — очень низкочастотного гула, который ритмично растягивает и сжимает пространство-время и заключенную в нем материю. К такому выводу пришли несколько групп исследователей со всего мира, одновременно опубликовавших в июне ряд журнальных статей о более чем 15-летних наблюдениях миллисекундных пульсаров в нашем уголке галактики Млечный Путь. По крайней мере, одна группа — Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) — нашла убедительные доказательства того, что на точные ритмы пульсаров влияет растяжение и сжатие пространства под действием длинноволновых гравитационных волн.
Гравитационные волны были впервые обнаружены Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2015 году. Коротковолновые флуктуации в пространстве были вызваны слиянием небольших черных дыр, а иногда и нейтронных звезд, масса которых не превышает нескольких сотен масс Солнца. Теперь встает вопрос: являются ли длинноволновые гравитационные волны с периодами от нескольких лет до десятилетий также порожденными черными дырами? В одной из работ консорциума NANOGrav, опубликованной 1 августа в журнале The Astrophysical Journal Letters (ApJ Letters), физик Люк Золтан Келли из Калифорнийского университета в Беркли и команда NANOGrav утверждают, что гул, скорее всего, порождается сотнями тысяч пар сверхмассивных черных дыр — каждая из которых имеет массу в миллиарды раз больше массы нашего Солнца — которые за всю историю Вселенной подошли друг к другу достаточно близко, чтобы слиться. Команда создала симуляцию бинарных популяций сверхмассивных черных дыр, содержащую миллиарды источников, и сравнила предсказанные сигнатуры гравитационных волн с последними наблюдениями NANOGrav. Орбитальный танец черных дыр перед слиянием вибрирует пространство, подобно тому, как вальсирующие танцоры ритмично вибрируют на танцполе. Такие слияния за 13,8 млрд. лет существования Вселенной породили гравитационные волны, которые сегодня накладываются друг на друга, подобно ряби от горсти камешков, брошенных в пруд, и создают фоновый гул. Поскольку длина волн этих гравитационных волн измеряется световыми годами, для их обнаружения потребовалась антенна размером с галактику — коллекция миллисекундных пульсаров.
«Сигнал, который мы наблюдаем, исходит от космологической популяции в пространстве и во времени, в 3D. Совокупность многих и многих таких двойных дыр дает нам этот фон», — отмечает астрофизик Чунг-Пей Ма, профессор физических наук Джуди Чандлер Вебб на факультетах астрономии и физики Калифорнийского университета в Беркли и один из участников коллаборации NANOGrav. Ма отметил, что хотя астрономы выявили ряд возможных сверхмассивных двойников черных дыр с помощью радио-, оптических и рентгеновских наблюдений, они могут использовать гравитационные волны в качестве новой сирены, которая подскажет им, где на небе искать электромагнитные волны и проводить детальные исследования двойников черных дыр. Ма руководит проектом по изучению 100 ближайших к Земле сверхмассивных черных дыр и очень хочет найти свидетельства активности вокруг одной из них, позволяющие предположить наличие бинарной пары, чтобы NANOGrav мог настроить синхронизацию пульсаров для зондирования этого участка неба на предмет гравитационных волн. Сверхмассивные двойные черные дыры, вероятно, излучают гравитационные волны в течение нескольких миллионов лет до своего слияния. Другими возможными причинами фоновых гравитационных волн являются аксионы темной материи, черные дыры, оставшиеся с начала существования Вселенной — так называемые первобытные черные дыры — и космические струны. В другой работе NANOGrav, опубликованной сегодня в журнале ApJ Letters, излагаются ограничения на эти теории.
Слияние галактик приводит к слиянию черных дырСчитается, что большинство крупных галактик имеют в своих центрах массивные черные дыры, однако их трудно обнаружить, поскольку излучаемый ими свет — от рентгеновских лучей до радиоволн, возникающих при падении звезд и газа в черную дыру, — обычно блокируется окружающим газом и пылью. Недавно Ма проанализировал движение звезд вокруг центра одной крупной галактики M87 и уточнил оценку ее массы, которая в 5,37 млрд. раз превышает массу Солнца, несмотря на то, что сама черная дыра полностью скрыта от глаз. Заманчиво, что сверхмассивная черная дыра в центре M87 может быть бинарной черной дырой. Но никто не знает этого наверняка.
Моделирование слияния галактик предполагает, что бинарные сверхмассивные черные дыры являются обычным явлением, поскольку центральные черные дыры двух сливающихся галактик должны опускаться вместе к центру большей слившейся галактики. По словам Келли, эти черные дыры начинают вращаться друг вокруг друга, однако волны, которые может обнаружить NANOGrav, испускаются только при их очень близком расположении — примерно в 10-100 раз больше диаметра нашей Солнечной системы или в 1000-10 000 раз больше расстояния между Землей и Солнцем, что составляет 93 млн. миль. Но может ли взаимодействие с газом и пылью в слившейся галактике заставить черные дыры закрутиться по спирали внутрь и подойти так близко, что слияние станет неизбежным?
«Возможно, что они просто застопорились», — замечает Ма. „Мы называем это проблемой последнего парсека. Если бы у вас не было другого канала для их сжатия, то мы бы не ожидали увидеть гравитационные волны“. Однако данные NANOGrav свидетельствуют о том, что большинство двойных сверхмассивных черных дыр не замирают.
NANOGrav удалось измерить фоновые гравитационные волны благодаря наличию миллисекундных пульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд, которые несколько сотен раз в секунду проносят мимо Земли яркий пучок радиоволн. По неизвестным причинам частота их пульсаций определяется с точностью до десятых долей миллисекунды. Когда в 1982 г. покойный астроном Дональд Бакер из Калифорнийского университета в Беркли обнаружил первый такой миллисекундный пульсар, он быстро понял, что эти прецизионные вспышки могут быть использованы для обнаружения колебаний пространства-времени, порождаемых гравитационными волнами. Он ввел термин «временной массив пульсаров», чтобы описать набор пульсаров, разбросанных вокруг нас в галактике, которые можно использовать в качестве детектора. В 2007 году Баккер стал одним из основателей проекта NANOGrav — совместной работы, в которой сегодня участвуют более 190 ученых из США и Канады. Предполагалось, что группа миллисекундных пульсаров в нашей части галактики Млечный Путь будет наблюдаться не реже одного раза в месяц и, после учета влияния движения, искать коррелированные изменения в частоте пульсаций, которые можно будет приписать длинноволновым гравитационным волнам, распространяющимся по галактике. По словам Келли, изменение времени прихода сигнала от конкретного пульсара будет составлять порядка миллионной доли секунды.
Всего коллаборация NANOGrav наблюдала 68 пульсаров, некоторые из них в течение 15 лет, и 67 из них были использованы в текущем анализе. Группа публично опубликовала свои программы анализа, которые используются группами в Европе (European Pulsar Timing Array), Австралии (Parkes Pulsar Timing Array) и Китае (Chinese Pulsar Timing Array) для корреляции сигналов от различных, хотя иногда и пересекающихся наборов пульсаров, отличных от используемых в NANOGrav. По словам Келли, данные NANOGrav позволяют сделать еще несколько выводов о популяции бинарных слияний сверхмассивных черных дыр за всю историю существования Вселенной. Например, амплитуда сигнала указывает на то, что популяция перекошена в сторону больших масс. Если максимальная масса известных сверхмассивных черных дыр составляет около 20 млрд. солнечных масс, то многие из тех, что создавали фон, могли быть больше, возможно, даже 40 или 60 млрд. солнечных масс. Кроме того, возможно, существует гораздо больше двойных сверхмассивных черных дыр, чем мы думаем.
По мере поступления данных за несколько лет наблюдений команда NANOGrav рассчитывает получить более убедительные доказательства существования космического гравитационно-волнового фона и того, что его порождает, что может быть комбинацией источников. Пока же астрономы с воодушевлением смотрят на перспективы гравитационно-волновой астрономии.
09.08.2023 |
Космос
Ученые выяснили, насколько большими могут быть сверхмассивные черные дыры | |
В центрах больших галактик, как считают у... |
Новая карта Вселенной использует гравитационные волны для поиска черных дыр | |
Международное исследование, проведенное под&nb... |
Как виртуальная модель нашей планеты может стать ключом к спасению человечества | |
Есть идея создать точную виртуальную копию наш... |
Хаббл нашел звездные ясли в 38 млн световых лет от Земли | |
Космический телескоп Хаббл сделал новый снимок... |
Physical Review Letters: Темная материя появилась во время космической инфляции | |
Физики пытаются понять, откуда взялась темная ... |
PhysRevLett: Исследование поможет более точно моделировать взрывы сверхновой | |
Когда звезда взрывается, она может превра... |
Тайны квинтета Стефана раскрыты: новое слово в изучении космоса | |
Более 50 астрономов во главе с докто... |
SciAdv: На Марсе была горячая вода — найдено доказательство в древнем метеорите | |
Древнейшее возможное доказательство того, что&... |
Frontiers in Physiology: Космонавты обычно немного «тормозят» из-за стресса | |
Когда человек находится в космосе, его&nb... |
Phys.org: Ученые обнаружили 719 новых галактик в Великом аттракторе | |
В космосе есть место, куда астрономы не р... |
Phys.org: Космический мусор защитит будущие миссии на Луну и Марс от радиации | |
Вы, возможно, не знали, но космонавт... |
Nature Astronomy: Красные карлики тоже обогащают Вселенную | |
Астрономы могут заглянуть в прошлое, набл... |
В ЮФУ предложили новую модель компактных звезд | |
Новую модель компактных звезд предложили учены... |
Astronomy & Astrophysics: Астрофизики измерили поведение частиц в килоновой | |
После столкновения двух нейтронных звезд и&nbs... |
Наноспутник будет искать нефтяные пятна и предсказывать лесные пожары | |
Два космических аппарата Самарского университе... |
НАСА представило прототип телескопа для обсерватории гравитационных волн | |
НАСА представило прототип шести телескопов, ко... |
PRL: Изучено влияние сверхлегкой темной материи на сигналы гравитационных волн | |
В журнале Physical Review Letters опубликовали... |
В АмГУ разработали модуль для российско-белорусского спутника | |
Проект инженеров Амурского госуниверситета поб... |
Planetary Science Journal: Большое красное пятно Юпитера меняется в размерах | |
С помощью телескопа Хаббл астрономы наблюдали ... |
DPS56: На экзопланеты полезно взглянуть под другим углом | |
Астрономы сравнили чёткие снимки Урана от ... |
SciAdv: Примитивные астероиды принесли на Землю львиную долю летучих элементов | |
Исследователи изучили химический состав цинка ... |
Nature Astronomy: Найдено свидетельство внутреннего роста в ранней Вселенной | |
С помощью космического телескопа James Webb Sp... |
MNRAS: Открыта самая удаленная вращающаяся дисковая галактика | |
С помощью телескопа ALMA ученые обнаружили отд... |
Nature Astronomy: Открытие помогает понять, как возникла Солнечная система | |
Астрономы обнаружили новые детали газовых пото... |
JC&AP: Следы антивещества в космических лучах возвращают к теме ВИМПов | |
Одна из главных задач современной космоло... |
Science: Ученые создают глобальные карты коронального магнитного поля | |
Учёные впервые проводили практически ежедневны... |
Ученые напрасно игнорировали звезды F-типа, вокруг которых тоже может быть жизнь | |
Возможно, за пределами Земли есть планеты... |
A&A: Ученые обнаружили планету на орбите ближайшей к нашему Солнцу звезды | |
С помощью Очень большого телескопа Европейской... |
Nature Astronomy: Поверхность Цереры состоит изо льда более чем на 90% | |
С 1801 года, когда Джузеппе Пиацци открыл перв... |
Составлена карта гравитационных «бассейнов притяжения» в локальной Вселенной | |
Группа международных исследователей во гл... |