Нашата вселена е хаотично море от вълни в пространство-времето, наречени гравитационни вълни. Астрономите смятат, че вълните от въртящите се една около друга свръхмасивни черни дупки в далечни галактики са дълги светлинни години и се опитват да ги наблюдават от десетилетия, а сега са една крачка по-близо благодарение на космическия телескоп "Ферми" на НАСА.
Ферми открива гама лъчи, най-високоенергийната форма на светлината. Международен екип от учени изследва повече от десетилетие данни на "Ферми", събрани от пулсари, бързо въртящи се ядра на звезди, които експлодират като свръхнови. Те търсят леки вариации във времето на пристигане на гама лъчите от тези пулсари, промени, които биха могли да бъдат причинени от светлината, преминаваща през гравитационни вълни по пътя към Земята. Но нищо не намират.
Въпреки че не са открити вълни, анализът показва, че с повече наблюдения тези вълни може да бъдат регистрирани от "Ферми".
„Изненадахме се, когато открихме, че "Ферми" може да ни помогне да търсим дълги гравитационни вълни“, разказва Матю Кер (Matthew Kerr), физик от лабораторията за военноморски изследвания на САЩ във Вашингтон. „Това е ново в битката – радио проучванията правят подобни търсения от години. Но "Ферми" и гама лъчите имат някои специални характеристики, които заедно ги правят много мощен инструмент в това изследване."
Гравитационно вълнов спектър. Дължината на гравитационната вълна или вълната в пространство-времето зависи от нейния източник, както е показано в тази инфографика. Учените се нуждаят от различни видове детектори, за да изследват възможно най-много от спектъра. Кредити: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
Резултатите от изследването, водено съвместно от Кер и Адития Партхасарати (Aditya Parthasarathy), изследовател от Института за радиоастрономия Макс Планк в Бон, Германия, са публикувани онлайн от списание Science на 7 април.
Когато масивните обекти се ускоряват, те произвеждат гравитационни вълни, пътуващи със скоростта на светлината. Наземната лазерна интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO)– която за първи път откри гравитационни вълни през 2015 г. – може да усети вълни с дължина от десетки до стотици километри от гребен до гребен, които преминават покрай Земята само за части от секундата. Предстои да бъде пусната в космоса "космическа антена с лазерен интерферометър" LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ще улавя вълни с дължина от милиони до милиарди километри.
Гравитационни вълни, излъчвани от две черни дупки. Тази визуализация показва гравитационни вълни, излъчвани от две черни дупки с почти еднаква маса, докато се въртят една около друга. Оранжевите вълни представят изкривяванията на пространство-времето, причинени от бързо обикалящите масивни маси. Тези изкривявания се разпространяват и отслабват, в крайна сметка се превръщат в гравитационни вълни (в лилаво). Тази симулация е извършена на суперкомпютъра Pleiades в изследователския център на НАСА "Еймс". Кредит: NASA/Bernard J. Kelly (Goddard and Univ. of Maryland Baltimore County), Chris Henze (Ames) and Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC)
Кер и неговият екип търсят вълни, които са дълги светлинни години или трилиони километри и са нужни години, за да преминат през Земята. Тези дълги вълни са част от фона от гравитационните вълни, хаотично море от вълни, генерирани отчасти от двойки свръхмасивни черни дупки в центровете на сливащи се галактики във Вселената.
За да ги намерят, учените се нуждаят от детектори с размер на галактика, наречени пулсарни времеви решетки. Тези решетки използват специфични набори от милисекундни пулсари, които се въртят толкова бързо, колкото остриетата на блендер. Милисекундните пулсари пренасят лъчи радиация, от радио до гама лъчи, покрай нашата зрителна линия, като изглежда, че пулсират с невероятна редовност – като космически часовници.
Когато дългите гравитационни вълни преминават между някой от тези пулсари и Земята, те забавят или ускоряват времето на пристигане на светлината с милиардни от секундата. Търсейки специфичен модел на вариации на импулса сред пулсарната решетка, учените очакват, че могат да разкрият дългите гравитационни вълни, преминаващи покрай тях.
Тази визуализация показва гравитационни вълни, излъчвани от две черни дупки (черните сфери) с почти еднаква маса, докато не се слеят. Жълтите структури в близост до черните дупки илюстрират силната кривина на пространство-времето в региона. Оранжевите вълни представляват изкривявания на пространство-времето, причинени от бързо обикалящите масивни маси. Тези изкривявания се разпространяват и отслабват, в крайна сметка се превръщат в гравитационни вълни (в лилаво). Времевата скала на сливането зависи от масите на черните дупки. За система, съдържаща черни дупки с около 30 пъти слънчевата маса, подобна на тази, открита от LIGO през 2015 г. орбиталният период в началото на филма е само 65 милисекунди, като черните дупки се движат с около 15% от скоростта на светлината. Пространствено-времевите изкривявания излъчват орбитална енергия и ускоряват сливането на двойката. Тъй като двете черни дупки се намират близо една до друга, те се сливат в една черна дупка, която се установява във фазата си на „позвъняване“, когато се излъчват крайните гравитационни вълни. За откриването на LIGO от 2015 г. тези събития се разиграват за малко повече от четвърт секунда. Тази симулация е извършена на суперкомпютъра Pleiades в изследователския център на НАСА "Еймс". Кредит: NASA/Bernard J. Kelly (Goddard and Univ. of Maryland Baltimore County), Chris Henze (Ames) and Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC)
Радиоастрономите използват пулсарни времеви решетки от десетилетия и техните наблюдения са най-чувствителни към тези гравитационни вълни. Но междузвездните ефекти усложняват анализа на радиоданните. Пространството е осеяно с реещите електрони. В светлинни години техните ефекти се комбинират, огъвайки траекторията на радиовълните. Това променя времето на пристигане на импулси с различни честоти. Гама лъчите не страдат от тези усложнения, като осигуряват както допълнителни данни, така и независимо потвърждение на резултатите от радиовълните.
„Резултатите от "Ферми" вече са с 30% по-добри от решетките от радиопулсарите, когато става въпрос за потенциално откриване на гравитационни вълни във фона“, отбелязва Партасарати. „След още пет години събиране и анализ на данни от пулсарите, той ще бъде еднакво способен с допълнителния бонус да не се налага да се тревожим за всички тези реещи се електрони.“
В рамките на следващото десетилетие както радио, така и гама-астрономите очакват да достигнат чувствителност, която ще им позволи да улавят гравитационни вълни от двойки свръхмасивни черни дупки.
„Безпрецедентната способност на "Ферми" да определя точно времето на пристигането на гама лъчите и широкото му зрително поле правят това измерване възможно“, коментира Джудит Ракузин (Judith Racusin), учен от проекта "Ферми" в Центъра за космически полети "Годард" на НАСА. „Откакто стартира, мисията постоянно ни изненадва с нова информация за небесната панорама от гама лъчи. Всички очакваме с нетърпение следващото невероятно откритие.”
Справка: “A gamma-ray pulsar timing array constrains the nanohertz gravitational wave background” by The Fermi-LAT Collaboration, 7 April 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abm3231
Източник: NASA’s Fermi Space Telescope Hunts for Gravitational Waves From Monster Black Holes
NASA Goddard Space Flight Center
Още по темата
Космос
Орбитата на Луната може да се използва като мощен нов детектор за гравитационни вълни
Космос
Хаотична тройна драма: Билярд с черни дупки в центровете на галактиките
Космос
Колосални черни дупки в епичен космически танц в сърцето на галактиката (видео)
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари