Мертвые звезды используют для измерения гравитационных волн
Международная группа астрономов обнаружила слабый сигнал гравитационных волн, распространяющихся по Вселенной. Используя мертвые звезды в качестве гигантской сети детекторов гравитационных волн, коллаборация под названием NANOGrav смогла измерить низкочастотный гул от хора ряби пространства-времени. Я астроном, изучаю и пишу о космологии, черных дырах и экзопланетах. Я исследовал эволюцию сверхмассивных черных дыр с помощью космического телескопа Хаббл. Хотя члены команды, стоящей за этим новым открытием, еще не уверены, они сильно подозревают, что фоновый гул гравитационных волн, который они измеряли, был вызван бесчисленными древними событиями слияния сверхмассивных черных дыр.
Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, вызванная массивными ускоряющимися объектами. Альберт Эйнштейн предсказал их существование в своей общей теории относительности, в которой он выдвинул гипотезу о том, что когда гравитационная волна проходит через пространство, она заставляет пространство периодически сжиматься, а затем расширяться. Исследователи впервые обнаружили прямые доказательства гравитационных волн в 2015 году, когда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, известная как LIGO, уловила сигнал от пары сливающихся черных дыр, которые прошли 1,3 миллиарда световых лет, чтобы достичь Земли.
Коллаборация НАНОГрав также пытается обнаружить рябь пространства-времени, но в межзвездном масштабе. Команда использовала пульсары, быстро вращающиеся мертвые звезды, испускающие луч радиоизлучения. Пульсары функционально похожи на маяк: когда они вращаются, их лучи могут проходить через Землю через равные промежутки времени. Команда НАНОграв использовала пульсары, которые вращаются невероятно быстро — до 1000 раз в секунду — и эти импульсы можно синхронизировать, как тиканье чрезвычайно точных космических часов. Когда гравитационные волны проносятся мимо пульсара со скоростью света, волны будут очень незначительно увеличивать и уменьшать расстояние между пульсаром и Землей, очень незначительно изменяя время между импульсами.
Пульсары настолько точные часы, что их ход можно измерить с точностью до 100 наносекунд. Это позволяет астрономам рассчитать расстояние между пульсаром и Землей с точностью до 30 метров. Гравитационные волны изменяют расстояние между этими пульсарами и Землей на десятки миль, делая пульсары достаточно чувствительными, чтобы обнаруживать этот эффект. Первое, что нужно было сделать команде НАНОГрав, — контролировать шум в детекторе космических гравитационных волн. Это включало шум в используемых радиоприемниках и тонкую астрофизику, влияющую на поведение пульсаров. Даже с учетом этих эффектов подход команды оказался недостаточно чувствительным, чтобы обнаружить гравитационные волны от отдельных двойных сверхмассивных черных дыр. Однако у него было достаточно чувствительности, чтобы обнаружить сумму всех слияний массивных черных дыр, которые произошли где-либо во Вселенной после Большого взрыва, — до миллиона перекрывающихся сигналов.
В музыкальной аналогии это все равно, что стоять в оживленном центре города и слышать слабый звук симфонии где-то вдалеке. Вы не можете выделить ни одного инструмента из-за шума машин и окружающих вас людей, но вы можете услышать гул сотен инструментов. Команде пришлось отделить сигнатуру этого «фона» гравитационных волн от других конкурирующих сигналов. Команда смогла обнаружить эту симфонию, измерив сеть из 67 различных пульсаров в течение 15 лет. Если какое-то нарушение в работе одного пульсара было вызвано гравитационными волнами из далекой вселенной, то все пульсары, за которыми наблюдала команда, пострадали бы аналогичным образом. 28 июня 2023 года команда опубликовала четыре статьи с описанием своего проекта и найденных доказательств существования гравитационно-волнового фона.
Гул, обнаруженный коллаборацией НАНОГрав, возникает в результате слияния черных дыр, которые в миллиарды раз массивнее Солнца. Эти черные дыры очень медленно вращаются вокруг друг друга и производят гравитационные волны с частотой в одну миллиардную долю герца. Это означает, что рябь пространства-времени колеблется каждые несколько десятилетий. Это медленное колебание волны является причиной того, что команде пришлось полагаться на невероятно точный хронометраж пульсаров. Эти гравитационные волны отличаются от волн, которые может обнаружить LIGO. Сигналы LIGO производятся, когда две черные дыры в 10-100 раз больше массы Солнца сливаются в один быстро вращающийся объект, создавая гравитационные волны, которые колеблются сотни раз в секунду.
Если вы думаете о черных дырах как о камертоне, то чем меньше событие, тем быстрее вибрирует камертон и тем выше его тон. LIGO обнаруживает гравитационные волны, которые «звенят» в слышимом диапазоне. Слияния черных дыр команда НАНОграв обнаружила «кольцо» с частотой в миллиарды раз ниже, чем слышно. Астрономы уже давно заинтересованы в изучении того, как звезды и галактики впервые появились после Большого взрыва. Это новое открытие команды НАНОграв похоже на добавление еще одного цвета — гравитационных волн — к картине ранней Вселенной, которая только начинает формироваться, во многом благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба.
Основная научная цель космического телескопа Джеймса Уэбба — помочь исследователям изучить, как образовались первые звезды и галактики после Большого взрыва. Для этого Джеймс Уэбб был разработан для обнаружения слабого света от невероятно далеких звезд и галактик. Чем дальше объект, тем больше времени требуется свету, чтобы добраться до Земли, поэтому Джеймс Уэбб фактически является машиной времени, которая может заглянуть в прошлое более чем на 13,5 миллиардов лет, чтобы увидеть свет от первых звезд и галактик во Вселенной. Он был очень успешным в поисках, обнаружив сотни галактик, которые заполнили Вселенную светом в первые 700 миллионов лет после Большого взрыва. Телескоп также обнаружил самую старую черную дыру во Вселенной, расположенную в центре галактики, которая образовалась всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва.
Эти открытия бросают вызов существующим теориям эволюции Вселенной. Чтобы вырастить массивную галактику, требуется много времени. Астрономы знают, что сверхмассивные черные дыры находятся в центре каждой галактики и имеют массу, пропорциональную массе принимающих их галактик. Таким образом, эти древние галактики почти наверняка имеют в своих центрах соответственно массивную черную дыру. Проблема в том, что объекты, обнаруженные Джеймсом Уэббом, намного больше, чем утверждает современная теория. Эти новые результаты, полученные командой НАНОГрав, появились благодаря первой возможности астрономов услышать гравитационные волны древней Вселенной. Выводы, хотя и дразнящие, недостаточно убедительны, чтобы претендовать на окончательное открытие. Это, вероятно, изменится, так как команда расширила свою сеть пульсаров, включив в нее 115 пульсаров, и должна получить результаты следующего исследования примерно в 2025 году. Большой взрыв с использованием гравитационных волн может стать бесценным инструментом.
