|
Гравитационные волны раскрывают структуру галактик
|
|
|
|
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, показывает, что плотная, богатая звездами и темной материей среда вокруг двойных сверхмассивных черных дыр вмещает порядка миллиона солнечных масс в каждом кубическом парсеке. Команда использовала данные о гравитационных волнах, полученные с помощью временных массивов пульсаров, для исследования центров галактик, которые в противном случае невозможно было бы наблюдать непосредственно.
|
|
|
|
Временные матрицы пульсаров (PTA) используют точные измерения временных остатков миллисекундных пульсаров для обнаружения гравитационных волн на наногерцовых частотах. Эти массивы выявили стохастический фон гравитационных волн, некогерентный шум от бесчисленных двойных сверхмассивных черных дыр, вращающихся по спирали по всей Вселенной.
|
|
|
|
Однако сигнал имеет искажение. На самых низких частотах спектр, по-видимому, переворачивается, что отличается от предсказаний для двойных систем, эволюционирующих исключительно под действием гравитационно-волнового излучения. Этот изгиб предполагает, что что-то в окружающей среде или на сильно эксцентричных орбитах изменяет то, как эти массивные двойные системы теряют энергию и сжимаются с течением времени.
|
|
|
|
Phys.org мы поговорили с первым автором исследования, доктором Ифанем Ченом, доцентом Шанхайского университета Цзяо Тонг, чтобы понять выводы команды и их более широкие последствия.
|
|
|
|
|
|
|
"После того, как несколько коллабораций PTA опубликовали результаты измерений гравитационно-волнового фона в наночастицах, возник естественный вопрос: можем ли мы уже использовать эти данные для изучения окружающей среды в центрах галактик?" Сказал Чен. "Этот вопрос непосредственно побудил нас к исследованию".
|
|
|
|
Гравитационно-волновой фон и космические часы
|
|
|
|
Гравитационно-волновой фон - это слабый, постоянный сигнал, создаваемый наложением гравитационных волн из многочисленных источников по всему космосу.
|
|
|
|
Фон гравитационных волн, обнаруженный PTAs, исходит от совокупности двойных сверхмассивных черных дыр, которые представляют собой пары черных дыр с массами, в миллионы-миллиарды раз превышающими массы Солнца, образовавшихся при слиянии галактик. По мере того как эти двойные системы в течение миллионов лет закручиваются по спирали внутрь, они испускают гравитационные волны, которые накапливаются в виде обнаруживаемого сигнала по всей Вселенной.
|
|
|
|
В PTA используются сети быстро вращающихся нейтронных звезд, называемых миллисекундными пульсарами, которые излучают радиоимпульсы с необычайной регулярностью, служа космическими часами, разбросанными по всей галактике. Отслеживая отклонения во времени прихода этих импульсов, исследователи могут обнаружить растяжение и сжатие пространства-времени, вызванные прохождением гравитационных волн.
|
|
|
|
В отличие от наземных детекторов, таких как LIGO, которые наблюдают слияние черных дыр звездной массы за доли секунды, временные матрицы пульсаров чувствительны к гораздо более низким частотам.
|
|
|
|
"Для наземных детекторов, таких как LIGO, это сложно, потому что они наблюдают черные дыры на очень поздних стадиях, когда гравитационные волны полностью доминируют в эволюции", - пояснил Чен.
|
|
|
|
"Напротив, PTA наблюдают двойные сверхмассивные черные дыры на гораздо более ранних стадиях, когда воздействие окружающей среды в центрах галактик все еще может играть важную роль".
|
|
|
|
Команда NANOGrav, стоящая за этим исследованием, обнаружила эти низкочастотные гравитационные волны, но с неожиданным изгибом на самых низких частотах, что говорит о том, что эти воздействия на окружающую среду уже поддаются измерению.
|
|
|
|
"Рогатки" из трех тел и спектральный изгиб
|
|
|
|
Команда смоделировала "главного подозреваемого" - гравитационные "рогатки" из трех тел".
|
|
|
|
В этом процессе звезды или частицы темной материи, окружающие двойную черную дыру, выбрасываются в результате многократных гравитационных столкновений, извлекая при этом орбитальную энергию.
|
|
|
|
Чен дал доступное объяснение физики. "Чтобы понять это, полезно начать с более простой ситуации. Представьте себе одиночную черную дыру, движущуюся сквозь облако гораздо более легких частиц, таких как газ, звезды или темная материя. В системе отсчета черной дыры эти частицы имеют тенденцию проходить мимо нее в направлении, противоположном ее движению. Благодаря гравитации черная дыра может отбрасывать эти частицы немного быстрее, и при этом она теряет немного своей собственной энергии и замедляется", - пояснил он.
|
|
|
|
Когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, процесс становится намного эффективнее. Частица может многократно проскочить между двумя черными дырами, прежде чем ее выбросит, извлекая из орбиты двойной системы значительно больше энергии, чем при обычном динамическом трении двух тел.
|
|
|
|
В реальных центрах галактик материя накапливается вокруг каждой сверхмассивной черной дыры до образования двойной системы. Как только черные дыры оказываются достаточно близко, эти трехчастичные взаимодействия эффективно выбрасывают окружающий материал наружу. Этот процесс приводит к ускоренному сближению черных дыр по спирали и постепенному сглаживанию плотности вещества вблизи центра.
|
|
|
|
Эта фаза изменения окружающей среды оставляет характерный след в виде низкочастотного изменения в спектре гравитационных волн с частотой, которая зависит от начальной плотности вещества, окружающего двойную систему.
|
|
|
|
Понимание этого процесса также позволяет решить "проблему последнего парсека" — постоянную загадку о том, как сверхмассивные черные дыры преодолевают последний парсек до слияния.
|
|
Исследование ядер галактик
|
|
|
|
Сравнив свои модельные прогнозы с наборами данных NANOGrav за 15 лет, команда определила плотность в масштабе парсека в центрах галактик. Анализ показывает, что плотность составляет около 106 масс Солнца на кубический парсек, при этом предпочтение отдается относительно плоским профилям плотности, "похожим на ядро", а не крутым концентрациям.
|
|
|
|
"Диапазон плотностей, выбранный нашим анализом, в целом соответствует тому, что мы уже знаем из электромагнитных наблюдений двух ближайших галактических центров, которые мы можем детально изучить: Млечного Пути и соседней галактики M87", - сказал Чен.
|
|
|
|
"Это соглашение обнадеживает, поскольку оно предполагает, что воздействие гравитационных волн на окружающую среду является реалистичным, а не экзотическим".
|
|
|
|
В частности, распределение звезд в ядерном скоплении Млечного Пути и звездном ядре M87 естественным образом попадает в наиболее подходящую область. Интересно, что полученные данные свидетельствуют о резких "всплесках" темной материи — гипотетических концентрациях, образованных черными дырами, растущими внутри ранее существовавших ореолов темной материи. Анализ показывает некоторую зависимость между первоначальным эксцентриситетом орбиты и плотностью окружающей среды.
|
|
|
|
"Мы обнаружили, что эксцентриситет может частично имитировать эффект плотной среды, создавая вырождение между этими двумя факторами в сигнале гравитационной волны", - объяснил Чен.
|
|
|
|
"Однако для объяснения наблюдаемой низкочастотной особенности только с помощью эксцентриситета потребовались бы чрезвычайно высокие начальные эксцентриситеты, которые маловероятны для большинства систем".
|
|
|
|
Помимо ограничения структуры галактики, полученные результаты решают давнюю "проблему последнего парсека", когда излучение гравитационных волн само по себе оказывается слишком медленным, чтобы стимулировать слияния. Эффективный выброс звезд двойными черными дырами также объясняет, почему некоторые галактики имеют плоские центральные ядра, в то время как другие сохраняют крутые, плотные центры.
|
|
|
|
Будущая работа
|
|
|
|
Заглядывая вперед, Чен подчеркнул важность более точных наблюдений.
|
|
|
|
"Приоритетной задачей является подтверждение и более точное измерение низкочастотной характеристики гравитационно-волнового фона с использованием более точных данных. Это станет возможным по мере того, как наблюдения за временными массивами пульсаров продолжат накапливать более объемные наборы данных, особенно благодаря новым данным, полученным от мощных радиотелескопов, таких как китайский FAST, после более чем десятилетнего периода наблюдений".
|
|
|
|
Будущие установки, такие как Square Kilometer Array и астрометрические миссии следующего поколения, обещают более точные спектральные измерения, позволяющие преодолеть зависимость эксцентриситета от плотности. В сочетании с электромагнитными наблюдениями отдельных двойных систем гравитационные волны могли бы отличить звезды от доминирующей темной материи и протестировать экзотические модели, такие как волнообразная или самовзаимодействующая темная материя.
|
|
|
|
Этот метод показывает, что космический гул от слияния сверхмассивных черных дыр несет информацию не только о слияниях, но и о скрытой галактической среде, формирующей их.
|
|
|
|
Источник
|
