|
Новое исследование сужает поиск неуловимых пар черных дыр
|
|
|
|
Хотя астрофизики никогда не обнаруживали двойные системы сверхмассивных черных дыр, детектор размером с галактику, состоящий из мертвых звезд, идет по их следу. В новом исследовании под руководством Северо-Западного университета астрофизики обработали данные за 12,5 лет от 45 мертвых звезд (называемых пульсарами), чтобы установить наилучшие ограничения на сигнатуры гравитационных волн, излучаемых парами гигантских черных дыр. Знание этих пределов поможет астрофизикам ограничить количество двойных систем, существующих в соседней Вселенной, подтвердить или опровергнуть существующих двойных кандидатов и когда-нибудь обнаружить гравитационные волны от этих сложных пар. В ходе еще одного прорыва исследование также показало, что при поиске пар сверхмассивных черных дыр исследователи должны учитывать устойчивый гул фонового шума, создаваемого симфонией гравитационных волн от всех двойных сверхмассивных черных дыр во Вселенной.
|
|
|
|
Исследование под названием «Набор данных NANOGrav за 12,5 лет: байесовские ограничения на гравитационные волны от отдельных двойных сверхмассивных черных дыр» было принято The Astrophysical Journal Letters и будет опубликовано этим летом. В настоящее время он опубликован на сервере препринтов arXiv. «Мы искренне думаем, что обнаружение двойной сверхмассивной черной дыры с помощью гравитационных волн не за горами», — сказала Кейтлин Уитт из Northwestern, руководившая исследованием. «Это было бы важным открытием для многих научных областей. Это позволило бы нам проводить дальнейшие эксперименты, такие как проверка гравитации, чтобы выяснить, развиваются ли сверхмассивные двойные черные дыры так, как мы думаем, и это научит нас искать их в будущем. Мы также сможем оглянуться назад в космическое время и проследить историю Вселенной, в которой мы живем». Витт является первым постдокторским научным сотрудником CIERA-Adler в Северо-Западном центре междисциплинарных исследований и исследований в области астрофизики (CIERA) и планетарии Адлера.
|
|
|
Сверхмассивные черные дыры, расположенные в центре большинства галактик, могут иметь массу в несколько миллиардов раз больше массы нашего Солнца. По сравнению с типичными черными дырами звездной массы, которые в 10-100 раз массивнее нашего Солнца, сверхмассивные черные дыры непостижимо велики. Когда две галактики — каждая со сверхмассивной черной дырой в центре — сливаются вместе, может образоваться двойная система этих чудовищных черных дыр. «Когда-нибудь наша галактика столкнется с галактикой Андромеды», — сказал Уитт. «Спустя миллионы лет черные дыры в конечном итоге находят друг друга, образуя маленькую систему друзей. Обнаружение гравитационных волн от подобных систем поможет нам понять, как взаимодействуют галактики и как развивается Вселенная». В 2016 году международная группа под руководством профессора Северо-Запада Вики Калогера использовала лазерную интерферометрическую гравитационно-волновую обсерваторию (LIGO), чтобы впервые обнаружить гравитационные волны от слияния двух черных дыр звездной массы, что привело к очевидной кратковременной ряби. в пространстве-времени. Но двойные сверхмассивные черные дыры слишком велики и расположены слишком далеко друг от друга, чтобы их можно было обнаружить наземным оборудованием, таким как LIGO.
|
|
|
|
Эти пары монстров создают волны такой длины, что могут пройти годы или даже десятилетия, прежде чем их гравитационные волны полностью омывают Землю. Даже когда НАСА и Европейское космическое агентство запустят LISA (космический детектор гравитационных волн, одним из главных исследователей которого является профессор Северо-Запада Шейн Ларсон) в начале 2030-х годов, оно все равно не сможет обнаруживать такие огромные волны. «LIGO может обнаруживать только те длины волн, которые укладываются в его руки», — сказал Витт. «Мы должны искать гораздо более низкие частоты волн. Мы чувствительны к парам сверхмассивных черных дыр, которым может потребоваться месяц или даже до 15 лет, чтобы вращаться вокруг друг друга. Итак, мы ищем устойчивый сигнал, который мог бы смешаться с фон." Чтобы преодолеть это препятствие, международная группа исследователей создала Североамериканскую наногерцевую обсерваторию гравитационных волн (НАНОГрав), которая охотится за гравитационными волнами с помощью пульсаров, типа быстро вращающихся нейтронных звезд, рожденных в результате взрыва сверхновой массивной звезды в конце своей жизни. Как и маяк, пульсар испускает световой луч, который мелькает при вращении.
|
|
|
|
«Поскольку пульсары вращаются так стабильно, мы видим маленькие вспышки света, которые тикают, как часы», — сказал Уитт. «Мы наблюдаем за этим светом с помощью наземных радиотелескопов. Если часы идут немного раньше или немного позже, это признак того, что на него могла повлиять гравитационная волна». НАНОГрав (NANOGrav) отслеживает 75 пульсаров, 45 из которых использовались в этом исследовании, расположенных по всему ночному небу. Их лучи света пролетают мимо Земли всего за миллисекунды. Итак, в данном случае «немного раньше или немного позже» может означать долю наносекунды. Поэтому методы НАНОграв должны быть невероятно чувствительными, чтобы уловить эти почти незаметные изменения. Глядя на все небо, Витт и команда НАНОграв вместе ищут определенные закономерности от всех пульсаров. Согласно теории, двойные сверхмассивные черные дыры должны излучать гравитационные волны, которые буквально растягивают и сжимают (или деформируют) пространство-время на пути к Земле. Искаженное пространство-время повлияет на световые лучи пульсаров таким образом, что это укажет на неуловимую пару черных дыр-монстров.
|
|
|
|
Но, конечно же, пульсары также генерируют собственный шум, который может запутать сигналы. «У пульсаров действительно есть собственный шум, называемый «красным шумом», — сказал Витт. «Их внутренности могут немного покачиваться, чего вы не сможете увидеть, если не будете смотреть так внимательно, как мы. Этот красный шум похож на широкий шум гравитационных волн, который мы ищем. дразнить это на части». В прошлом году команда НАНОграв опубликовала исследование, обнаружившее процесс красного шума во всех пульсарах, который имеет одни и те же общие характеристики. Однако без дополнительных доказательств НАНОГрав не может связать это с гравитационными волнами. В новом исследовании Витт и ее команда обнаружили, что этот красный шум по-прежнему необходимо тщательно учитывать, чтобы окончательно обнаружить гравитационные волны от отдельных двойных сверхмассивных черных дыр. «Когда гравитационная волна становится заметной, на первый взгляд она очень похожа на красный шум», — сказал Витт.
|
|
|
|
«Красный шум может обмануть нас. Наше новое исследование говорит нам, что мы должны внимательно присматриваться, чтобы не запутаться. Это будет важно наблюдать, когда мы, наконец, обнаружим гравитационные волны». Хотя НАНОграв еще не обнаружил двойные сверхмассивные черные дыры с гравитационными волнами, новая работа Витта приближает эту область ближе, чем когда-либо. Используя набор данных за 12,5 лет, исследователи создали новые модели для точного учета неопределенностей в данных о пульсарах и внедрили новые методы для учета красного шума. Эти новые модели обеспечивают самые жесткие ограничения на силу гравитационных волн, излучаемых парами сверхмассивных черных дыр. Ранее другие исследователи обнаружили потенциальные двойные сверхмассивные черные дыры с помощью телескопов на основе света. НАНОГрав в конечном итоге может подтвердить, что эти потенциальные кандидаты действительно являются двойными сверхмассивными черными дырами. «С нашими новыми методами мы могли бы подтвердить это раньше», — сказал Уитт. «Или, если мы продолжим собирать и анализировать данные, тогда мы сможем исключить его как кандидата. Это может быть просто что-то еще странное, происходящее в галактике».
|
|
|
|
Источник
|
