11.08.2023. - Гравитационное излучение изменяет пространство-время

Гравитационное излучение изменяет пространство-время

Вселенная 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, которые одновременно опубликовали в июне множество журнальных статей, описывающих более чем 15-летние наблюдения за миллисекундными пульсарами в нашем уголке галактики Млечный Путь. По крайней мере, одна группа — Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (НАНОГрав) — нашла убедительные доказательства того, что на точные ритмы этих пульсаров влияет растяжение и сжатие пространства-времени этими длинноволновыми гравитационными волнами. «Это ключевое свидетельство существования гравитационных волн на очень низких частотах», — говорит Стивен Тейлор из Университета Вандербильта, который возглавлял поиск и в настоящее время является председателем сотрудничества. «После многих лет работы НАНОграв открывает совершенно новое окно во вселенную гравитационных волн».

Гравитационные волны были впервые обнаружены Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2015 году. Коротковолновые флуктуации пространства-времени были вызваны слиянием меньших черных дыр, а иногда и нейтронных звезд, каждая из которых весит менее несколько сотен солнечных масс. Теперь возникает вопрос: являются ли длинноволновые гравитационные волны — с периодами от лет до десятилетий — также создаваемыми черными дырами? В одной статье консорциума НАНОграв, опубликованной в The Astrophysical Journal Letters Калифорнийского университета в Беркли, физик Люк Золтан Келли и команда НАНОграв утверждали, что гул, вероятно, создается сотнями тысяч пар сверхмассивных черных дыр, каждая из которых весит миллиарды долларов. в несколько раз больше массы нашего Солнца, — которые за всю историю Вселенной подошли достаточно близко друг к другу, чтобы слиться.

Команда произвела моделирование популяций сверхмассивных двойных черных дыр, содержащих миллиарды источников, и сравнила предсказанные сигнатуры гравитационных волн с самыми последними наблюдениями NANOgrav. Орбитальный танец черных дыр перед слиянием вибрирует пространство-время аналогично тому, как вальсирующие танцоры ритмично вибрируют на танцполе. Такие слияния на протяжении 13,8 миллиардов лет существования Вселенной порождали гравитационные волны, которые сегодня накладываются друг на друга, как рябь от горсти камешков, брошенных в пруд, и создают фоновый гул. Поскольку длина волны этих гравитационных волн измеряется в световых годах, для их обнаружения потребовалась решетка антенн размером с галактику — набор миллисекундных пульсаров.

«Я думаю, слон в комнате заключается в том, что мы все еще не уверены на 100%, что он создан сверхмассивными двойными черными дырами. Это определенно наше лучшее предположение, и оно полностью согласуется с данными, но мы не уверены», — сказал он. Келли, помощник адъюнкт-профессора астрономии Калифорнийского университета в Беркли. «Если это бинарные файлы, то мы впервые действительно подтвердили существование сверхмассивных бинарных черных дыр, что уже более 50 лет остается огромной загадкой». «Сигнал, который мы наблюдаем, исходит от космологической популяции в пространстве и во времени, в 3D. Коллекция многих, многих из этих двойных систем в совокупности дает нам этот фон», — сказал астрофизик Чанг-Пей Ма, профессор Джуди Чандлер Уэбб в Нью-Йорке. Физические науки на кафедрах астрономии и физики Калифорнийского университета в Беркли и член коллаборации НАНОГрав.

Ма отметил, что хотя астрономы идентифицировали ряд возможных сверхмассивных двойных черных дыр с помощью радио-, оптических и рентгеновских наблюдений, они могут использовать гравитационные волны в качестве новой сирены, чтобы направлять их в небе для поиска электромагнитных волн и проведения подробных исследований. двойных черных дыр. Ма руководит проектом по изучению 100 ближайших к Земле сверхмассивных черных дыр и стремится найти свидетельства активности вокруг одной из них, которые указывают на наличие бинарной пары, чтобы НАНОграв мог настроить временную матрицу пульсара, чтобы исследовать этот участок неба на наличие гравитационных волн. волны. Двойные сверхмассивные черные дыры, вероятно, излучают гравитационные волны в течение нескольких миллионов лет, прежде чем сольются.

Другими возможными причинами фоновых гравитационных волн являются аксионы темной материи, черные дыры, оставшиеся с самого начала Вселенной — так называемые первичные черные дыры — и космические струны. В другой статье НАНОграв, опубликованной в ApJ Letters, излагаются ограничения этих теорий. «Другие группы предположили, что это происходит из-за космической инфляции, космических струн или других видов новых физических процессов, которые сами по себе очень интересны, но мы думаем, что бинарные системы гораздо более вероятны. однако то, что нам нужно сделать, — это измерить, насколько сильно различается сигнал гравитационных волн по небу. Двойные системы должны давать гораздо большие вариации, чем альтернативные источники», — сказал Келли. «Сейчас действительно начинается серьезная работа и волнение, поскольку мы продолжаем наращивать чувствительность. По мере того, как мы продолжаем делать более качественные измерения, наши ограничения на популяции сверхмассивных двойных черных дыр будут быстро становиться все лучше и лучше».

Считается, что в центре большинства крупных галактик имеются массивные черные дыры, хотя их трудно обнаружить, потому что излучаемый ими свет — от рентгеновских лучей до радиоволн, возникающих, когда звезды и газ падают в черную дыру, — обычно блокируется окружающий газ и пыль. Недавно Ма проанализировал движение звезд вокруг центра одной большой галактики M87 и уточнил ее массу — в 5,37 миллиарда раз больше массы Солнца, — хотя сама черная дыра полностью скрыта. Как ни странно, сверхмассивная черная дыра в центре M87 может быть двойной черной дырой. Но никто не знает наверняка. «Мой вопрос к M87 или даже к нашему галактическому центру, Стрельцу A*, таков: можете ли вы спрятать вторую черную дыру рядом с основной черной дырой, которую мы изучаем? И я думаю, что в настоящее время никто не может этого исключить», — сказал Ма. . «Дымящийся пистолет для этого обнаружения гравитационных волн, происходящих от двойных сверхмассивных черных дыр, должен исходить из будущих исследований, в которых мы надеемся увидеть обнаружение непрерывных волн от одиночных двойных источников».

Моделирование слияния галактик предполагает, что двойные сверхмассивные черные дыры являются обычным явлением, поскольку центральные черные дыры двух сливающихся галактик должны вместе опускаться к центру большей слившейся галактики. Эти черные дыры начнут вращаться вокруг друг друга, хотя волны, которые может обнаружить НАНОГрав, излучаются только тогда, когда они подходят очень близко, сказал Келли — примерно в 10–100 раз больше диаметра нашей Солнечной системы или в 1000–10 000 раз больше Земли. расстояние до Солнца, которое составляет 93 миллиона миль. Но могут ли взаимодействия с газом и пылью в слившейся галактике заставить черные дыры двигаться по спирали внутрь, чтобы приблизиться так близко, делая слияние неизбежным? «Это была самая большая неуверенность в бинарных сверхмассивных черных дырах: как вы переместите их сразу после слияния галактик туда, где они на самом деле сливаются», — сказал Келли. «Слияние галактик сближает две сверхмассивные черные дыры примерно на килопарсек или около того — расстояние в 3200 световых лет, что примерно равно размеру ядра галактики. они действительно могут создавать гравитационные волны».

«Возможно, эти двое просто застопорились», — заметил Ма. «Мы называем это проблемой последнего парсека. Если бы у вас не было другого канала для их уменьшения, мы бы не ожидали увидеть гравитационные волны». Но данные NANOGrav предполагают, что большинство двойных сверхмассивных черных дыр не останавливаются. «Амплитуда гравитационных волн, которую мы наблюдаем, предполагает, что слияния довольно эффективны, а это означает, что большая часть двойных сверхмассивных черных дыр способна переходить от этих крупных масштабов слияния галактик к очень, очень малым субпарсековым масштабам. — сказал Келли. НАНОГрав смог измерить фоновые гравитационные волны благодаря наличию миллисекундных пульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд, которые проносят яркий луч радиоволн мимо Земли несколько сотен раз в секунду. По неизвестным причинам частота их пульсаций составляет десятые доли миллисекунды.

Когда первый такой миллисекундный пульсар был обнаружен в 1982 году покойным астрономом из Калифорнийского университета в Беркли Дональдом Бэкером, он быстро понял, что эти прецизионные вспышки можно использовать для обнаружения флуктуаций пространства-времени, создаваемых гравитационными волнами. Он ввел термин «массив пульсаров», чтобы описать набор пульсаров, разбросанных вокруг нас в галактике, которые можно было бы использовать в качестве детектора. В 2007 году Бэкер был одним из основателей НАНОграв, коллаборации, в которой сейчас участвуют более 190 ученых из США и Канады. План состоял в том, чтобы по крайней мере один раз в месяц отслеживать группу миллисекундных пульсаров в нашей части галактики Млечный Путь и, после учета эффектов движения, искать коррелированные изменения в частоте пульсаций, которые можно было бы приписать длинноволновому гравитационному излучению. волны, путешествующие по галактике. По словам Келли, изменение времени прибытия конкретного сигнала пульсара будет порядка одной миллионной доли секунды.

«Только статистически когерентные вариации действительно являются отличительной чертой гравитационных волн», — сказал он. «Вы все время видите вариации в миллисекундах, десятках миллисекунд. Это просто из-за шумовых процессов. Но вам нужно копнуть глубже и посмотреть на эти корреляции, чтобы уловить сигналы с амплитудой около 100 наносекунд или около того. " Всего коллаборация НАНОграв отслеживала 68 пульсаров, некоторые в течение 15 лет, и использовала 67 в текущем анализе. Группа публично выпустила свои аналитические программы, которые используются группами в Европе (европейская система синхронизации пульсаров), Австралии (система синхронизации пульсаров Parkes) и Китае (система синхронизации китайских пульсаров) для корреляции сигналов от разных, хотя иногда и перекрывающихся, наборов пульсаров, чем используется НАНОграв.

По словам Келли, данные NANOGrav позволяют сделать несколько других выводов о населении двойных слияний сверхмассивных черных дыр за всю историю Вселенной. Во-первых, амплитуда сигнала означает, что популяция смещается в сторону более высоких масс. В то время как известные сверхмассивные черные дыры имеют максимальную массу около 20 миллиардов солнечных масс, многие из тех, которые создали фон, могли быть больше, возможно, даже 40 или 60 миллиардов солнечных масс. С другой стороны, сверхмассивных двойных черных дыр может быть гораздо больше, чем мы думаем. «Хотя наблюдаемая амплитуда сигнала гравитационной волны в целом соответствует нашим ожиданиям, она определенно немного завышена», — сказал он. «Таким образом, нам нужна некоторая комбинация относительно массивных сверхмассивных черных дыр, очень высокая частота появления этих черных дыр, и они, вероятно, должны иметь возможность довольно эффективно сливаться, чтобы иметь возможность производить эти амплитуды, которые мы видим. Или, может быть, это больше похоже на то, что массы на 20% больше, чем мы думали, но они сливаются в два раза эффективнее или какая-то комбинация параметров».

По мере того, как в результате многолетних наблюдений поступает больше данных, команда НАНОграв рассчитывает получить более убедительные доказательства существования космического фона гравитационных волн и того, что его производит, что может быть комбинацией источников. На данный момент астрономы в восторге от перспектив гравитационно-волновой астрономии. «Это очень интересно, как новый инструмент», — сказал Ма. «Это открывает совершенно новое окно для изучения сверхмассивных черных дыр». Данные НАНОграв получены в результате 15-летних наблюдений обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, объекта, который рухнул и стал непригодным для использования в 2020 году; Телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии; и Очень большой массив в Нью-Мексико. Будущие результаты НАНОграв будут включать данные радиотелескопа Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), который был добавлен к проекту в 2019 году.

Источник