|
Обнаружение сети гравитационных волн
|
|
|
|
Когда черным дырам нужно место для столкновения, они предпочитают красивый, яркий квазар. Так говорит Кьяра Мингарелли, доцент кафедры физики факультета искусств и естественных наук Йельского университета и ключевой член международной исследовательской группы, изучающей фундаментальные вопросы о структурных основах Вселенной. Последнее исследование Мингарелли ставит квазары — ярчайшие объекты в космосе, которые подпитываются газами, попадающими в сверхмассивные черные дыры, — в центр этой работы.
|
|
|
|
Два года назад Мингарелли и Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) произвели настоящий фурор в научном сообществе, предоставив первые прямые доказательства существования "фона" гравитационных волн во Вселенной. Это открытие позволило предположить, что гравитационные волны, которые вызываются медленно сливающимися парами сверхмассивных черных дыр, могут быть обнаружены с Земли в фоновом поле низкочастотной энергии.
|
|
|
|
NANOGrav сосредоточила свои методы обнаружения на пульсарах, которые представляют собой коллапсировавшие ядра массивных звезд, которые взорвались. Пульсары, которые быстро вращаются, излучают точно рассчитанные по времени радиосигналы.
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в Astrophysical Journal, Мингарелли и ее коллеги использовали пульсары, чтобы показать, что вероятность столкновения с черными дырами в галактиках с квазарами в пять раз выше.
|
|
|
|
|
|
|
Мингарелли рассказал корреспонденту Yale News о новом открытии, о том, как оно связано с гравитационными волнами, и о том, что будет дальше. Беседа была отредактирована и сокращена.
|
|
В чем важность возможности идентифицировать и каталогизировать сеть гравитационных волн? Какую пользу это принесет обществу?
|
|
|
|
Прямо сейчас мы объединяем традиционную астрономию, которая изучает Вселенную с помощью радиоволн, рентгеновских лучей, оптических волн и многого другого, с гравитационно—волновой астрономией. Мы как будто обнаружили, что у нас есть уши, и теперь мы можем слышать Вселенную, а не просто смотреть на нее. Гравитационные волны исходят непосредственно от источника — слияния двойных систем сверхмассивных черных дыр — и не подвергаются воздействию газа и пыли на своем пути к Земле. Это делает их исключительно чистыми зондами экстремальной физики, недоступными никакими другими способами.
|
|
|
|
Интересно думать о том, как эта работа в конечном итоге принесет пользу обществу. Общая теория относительности Эйнштейна дала нам GPS [спутники глобального позиционирования] примерно 100 лет спустя, а лазеры, магнитно-резонансную томографию и Wi-Fi - все это появилось благодаря тому, что ученые задались вопросом "почему" еще до того, как кто-либо понял "для чего". Кроме того, представьте, что 100 лет назад вы рассказывали людям о GPS — могли ли они хотя бы представить, что мы имеем в виду? Мне не терпится узнать, каким будет возможное применение этой работы.
|
|
Как ваше новое исследование вписывается в общую работу NANOGrav?
|
|
|
|
Мы полагаем, что существует гравитационно-волновой фон, состоящий из миллионов медленно сливающихся пар сверхмассивных черных дыр. В 2023 году мы нашли доказательства этого, и следующим важным достижением стало обнаружение отдельных пар черных дыр.
|
|
|
|
В этой статье мы предсказываем, что вероятность появления таких пар черных дыр в квазарах в пять раз выше, чем в галактиках любого другого типа. Мы приходим к выводу, что квазары должны быть основными объектами для поиска пар сливающихся сверхмассивных черных дыр.
|
|
|
|
Кроме того, я и моя команда, состоящая из аспирантов и студентов старших курсов Йельского университета, в настоящее время используем результаты этой работы для определения галактик-мишеней, в которых находятся двойные системы со сверхмассивными черными дырами. Статья с этими результатами, скорее всего, выйдет к концу лета.
|
|
|
|
Какие еще аспекты текущего исследования выделяются среди других?
|
|
|
|
Это первое исследование, в котором статистически определено количество двойных сверхмассивных черных дыр путем объединения результатов измерения гравитационно-волнового фона и изменчивости квазаров. Оно представляет собой новый подход к характеристике двойной популяции.
|
|
|
|
Если это подтвердится, даже небольшая популяция двойных квазаров сможет закрепить нашу модель источников гравитационных волн на низких частотах и проложить путь к прямому обнаружению.
|
|
Ваш подход основан на использовании временных массивов пульсаров. Что делает пульсары выгодным инструментом для определения места слияния черных дыр?
|
|
|
|
Временные матрицы пульсаров отслеживают сверхстабильные звезды, называемые пульсарами, которые излучают сигналы, которые, по сути, являются отличными часами.
|
|
|
|
Гравитационные волны растягивают и сжимают саму ткань пространства и времени. Когда пространство-время сжимается, импульсы от пульсаров приходят раньше. Когда пространство-время растягивается, импульсы приходят позже. Общая распространенность вируса составляет примерно 1 часть на миллион миллиардов, или размер вируса, деленный на диаметр Земли. Очень маленький!
|
|
|
|
Тот факт, что мы можем наблюдать за этими пульсарами в течение многих лет или десятилетий с поразительной точностью — в пределах 100 наносекунд, — означает, что мы можем обнаруживать гравитационные волны с интервалом от нескольких лет до десятилетий. Это делает массивы пульсаров идеальными инструментами для обнаружения гравитационных волн от сверхмассивных черных дыр, поскольку они создают гравитационные волны с такими длительными периодами.
|
|
|
|
Но без списка целей мы не сможем локализовать пару сливающихся сверхмассивных черных дыр на чем-то меньшем, чем поле ошибок, достаточно большое, чтобы вместить тысячи галактик.
|
|
Что мы можем узнать из нового исследования, помимо установления фоновой сети гравитационных волн?
|
|
|
|
Определение демографических характеристик двойных систем сверхмассивных черных дыр является ключевым для нашего понимания эволюции галактик, роста черных дыр, а также фона гравитационных волн. Эта работа обеспечивает управляемую данными основу для идентификации галактик-хозяев пар сверхмассивных черных дыр и закладывает основы для будущих поисков.
|
|
|
|
Источник
|
