|
Гравитационные волны обнаружены от пары черных дыр
|
|
|
|
Когда черные дыры и другие чрезвычайно массивные и плотные объекты вращаются друг вокруг друга, они посылают рябь в пространстве и времени, называемую гравитационными волнами. Эти волны — один из немногих способов изучить загадочных космических гигантов, которые их создают. Астрономы наблюдали высокочастотное «чириканье» сталкивающихся черных дыр, но оказалось труднее обнаружить ультранизкочастотный гул сверхмассивных черных дыр, вращающихся вокруг друг друга. В течение десятилетий мы наблюдали за пульсарами, типом звезд, которые пульсируют, как маяк, в поисках слабого ряби этих волн. Сегодня совместные исследования пульсаров по всему миру, в том числе наша, Parkes Pulsar Timing Array, объявили о своих самых убедительных доказательствах существования этих волн.
|
|
|
|
В 1915 году физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн представил прорывное понимание природы гравитации: общую теорию относительности. Теория описывает вселенную как четырехмерную «ткань», называемую пространством-временем, которая может растягиваться, сжиматься, изгибаться и скручиваться. Массивные объекты искажают эту ткань, вызывая гравитацию. Любопытным следствием теории является то, что движение массивных объектов должно вызывать рябь в этой ткани, называемую гравитационными волнами, которая распространяется со скоростью света. Чтобы создать мельчайшую из этих рябей, требуется огромное количество энергии. По этой причине Эйнштейн был убежден, что гравитационные волны никогда нельзя наблюдать напрямую. Спустя столетие исследователи из коллабораций LIGO и Virgo стали свидетелями столкновения двух черных дыр, которое послало по всей Вселенной всплеск гравитационных волн.
|
|
|
Теперь, спустя семь лет после этого открытия, радиоастрономы из Австралии, Китая, Европы, Индии и Северной Америки нашли доказательства существования сверхнизкочастотных гравитационных волн. В отличие от внезапного всплеска гравитационных волн, о котором сообщалось в 2016 году, этим сверхнизкочастотным гравитационным волнам требуются годы или даже десятилетия, чтобы колебаться. Ожидается, что они будут созданы парами сверхмассивных черных дыр, вращающихся вокруг ядер далеких галактик по всей Вселенной. Чтобы обнаружить эти гравитационные волны, ученым потребуется построить детектор размером с галактику. Или мы можем использовать пульсары, которые уже разбросаны по галактике и чьи импульсы поступают в наши телескопы с регулярностью точных часов. Радиотелескоп CSIRO Parkes, Murriyang, наблюдает за группой этих пульсаров уже почти два десятилетия. Наша команда Parkes Pulsar Timing Array — одна из нескольких коллабораций по всему миру, которые сегодня объявили о намеках на гравитационные волны в своих последних наборах данных.
|
|
|
|
Аналогичные сигналы наблюдаются и в других коллаборациях в Китае (CPTA), Европе и Индии (EPTA и InPTA) и Северной Америке (NANOGRAV). Сигнал, который мы ищем, — это случайный «океан» гравитационных волн, создаваемый всеми парами сверхмассивных черных дыр во Вселенной. Наблюдение за этими волнами является не только еще одним триумфом теории Эйнштейна, но и имеет важные последствия для нашего понимания истории галактик во Вселенной. Сверхмассивные черные дыры — это двигатели в сердце галактик, которые питаются газом и регулируют звездообразование. Сигнал выглядит как низкочастотный гул, характерный для всех пульсаров массива. Когда гравитационные волны омывают Землю, они влияют на видимую скорость вращения пульсаров. Растяжение и сжатие нашей галактики этими волнами в итоге меняет расстояния до пульсаров всего на десятки метров. Это немного, когда пульсары обычно находятся на расстоянии около 1000 световых лет (это около 10 000 000 000 000 000 000 метров).
|
|
|
|
Примечательно, что мы можем наблюдать эти сдвиги в пространстве-времени как наносекундные задержки импульсов, которые радиоастрономы могут отслеживать относительно легко, потому что пульсары являются такими стабильными естественными часами. Поскольку сверхнизкочастотным гравитационным волнам требуются годы, чтобы колебаться, ожидается, что сигнал будет появляться медленно. Сначала радиоастрономы наблюдали в пульсарах обычный гул, но его происхождение было неизвестно. Теперь уникальный отпечаток гравитационных волн начинает проявляться в качестве атрибута этого сигнала, наблюдаемого каждым из коллабораций временных массивов пульсаров по всему миру. Этот отпечаток описывает особую связь между сходством задержек импульсов и углом разделения между парами пульсаров на небе. Связь возникает из-за того, что пространство-время на Земле растягивается, изменяя расстояния до пульсаров в зависимости от их направления. Пульсары, расположенные близко друг к другу в небе, дают более похожий сигнал, чем, например, пульсары, разделенные под прямым углом.
|
|
|
|
Прорыв стал возможен благодаря усовершенствованным технологиям в наших обсерваториях. Временная матрица Parkes Pulsar имеет самый длинный высококачественный набор данных благодаря усовершенствованному приемнику и технологии обработки сигналов, установленным на Murriyang. Эта технология позволила телескопу обнаружить многие из лучших пульсаров, которые используются по всему миру для поиска гравитационных волн. Более ранние результаты нашего сотрудничества и других показали, что сигнал, ожидаемый от гравитационных волн, отсутствовал при наблюдениях за пульсарами. Теперь мы, кажется, видим сигнал с относительной ясностью. Сегментируя наш длинный набор данных на более короткие «отрезки времени», мы показываем, что сигнал растет со временем. Основная причина этого наблюдения неизвестна, но, возможно, гравитационные волны ведут себя неожиданно.
|
|
|
|
Новое свидетельство сверхнизкочастотных гравитационных волн волнует астрономов. Чтобы подтвердить эти сигнатуры, глобальные коллаборации должны будут объединить свои наборы данных, что многократно увеличивает их чувствительность к гравитационным волнам. Усилия по созданию этого комбинированного набора данных в настоящее время ведутся в рамках проекта International Pulsar Timing Array, участники которого встретились на прошлой неделе в Порт-Дугласе на Крайнем Севере Квинсленда. Будущие обсерватории, такие как массив квадратных километров, строящийся в Австралии и Южной Африке, превратят эти исследования в богатый источник знаний об истории нашей Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
