Нов начин да се чуят гравитационните вълни - с помощта на квазари

Новаторски метод за измерване на космическите пулсации чрез движението на квазари

Учени са разработили обещаващ нов подход за откриване на гравитационните вълни във Вселената - вълни в пространство-времето, които постоянно се разпространяват над нашата планета, но остават до голяма степен невидими за традиционните методи за наблюдение. Тази новаторска техника може да доведе до по-дълбоко разбиране на взаимодействието между свръхмасивните черни дупки и потенциално да промени познанията ни за фундаменталната физика.

Астрофизикът от Университета на Колорадо в Боулдър Джереми Дарлинг (Jeremy Darling) е публикувал изследване в The Astrophysical Journal Letters, което разглежда гравитационните вълни от уникална гледна точка - чрез прецизно проследяване на видимото движение на далечни небесни обекти, наречени квазари.

Подходът на Дарлинг предлага допълнителен метод към неотдавнашните революционни измервания и в крайна сметка би могъл да осигури по-пълна картина на космическите гравитационни явления.

"Има много неща, които можем да научим от тези прецизни измервания на гравитационните вълни", обяснява Дарлинг, професор в катедрата по астрофизика и планетарни науки. "Различните разновидности на гравитацията могат да доведат до много различни видове гравитационни вълни".

Улавяне на скритите вълни на Вселената

Представете си Земята като буй, който се люлее в бурния океан на пространство-времето. През цялата космическа история безброй свръхмасивни черни дупки са участвали в гравитационни танци, движейки се спираловидно една към друга, докато не се сблъскат в катаклизми, които пораждат вълни, разпространяващи се из цялата Вселена.

Миналата година учените от колаборацията NANOGrav постигнаха пробив, измервайки този гравитационен вълнови фон чрез наблюдения на пулсари. Тези измервания обаче уловиха само как вълните разтягат и свиват пространство-времето в едно измерение - подобно на вълните, които текат директно към и от бреговата линия.

Изследването на Дарлинг разширява това познание, като проучва как гравитационните вълни се движат в допълнителни измерения спрямо Земята - движенията встрани и нагоре-надолу, които създават по-пълна картина на тези космически вълни.

Основни изводи от изследването на гравитационните вълни

• В изследването са анализирани над 1 милион квазара, наблюдавани от спътника Gaia на Европейската космическа агенция
• Изследователите са разгледали 2 104 609 881 двойки квазари, за да открият корелирани модели на движение
• Техниката измерва пространствени корелации до ±0,005 микроаркисекунди на квадрат за година на квадрат
• Изследването установява горна граница на плътността на енергията на гравитационните вълни от 0,0096
• За първи път астрометрията с оптична дължина на вълната надминава радиочестотните измервания.

"Гравитационните вълни действат в три измерения", отбелязва Дарлинг. "Те разтягат и притискат пространство-времето по линията на нашата видимост, но също така предизвикват обекти, които изглеждат, че се движат напред-назад в небето."

Наблюдаване на ненаблюдаемото

Изследването се фокусира върху квазарите - изключително ярки обекти, захранвани от свръхмасивни черни дупки в центровете на далечни галактики. Въпреки че квазарите са отдалечени на милиони светлинни години, излъчваната от тях светлина се отклонява едва доловимо от преминаващите гравитационни вълни, което създава видимо " поклащане", когато се наблюдава от Земята.

Откриването на това движение изисква изключителна прецизност. Необходимите измервания са около 10 пъти по-прецизни от тези, които са необходими, за да се наблюдава от Земята растежа на човешки нокът на Луната. Освен това изследователите трябва да отчетат сложното движение на Земята в пространството, за да изолират сигналите на гравитационните вълни.

"Ако живеехме милиони години и можехме да наблюдаваме тези невероятно малки движения, щяхме да видим как тези квазари се движат напред-назад", коментира Дарлинг.

Въпреки че настоящите данни все още не са достатъчно подробни, за да докажат окончателно, че гравитационните вълни причиняват колебанията на квазарите, изследването създава важна методологична основа и поставя все по-строги ограничения за нивата на енергия на гравитационните вълни.

Бъдещи перспективи за откриване на космически вълни

Близо ли сме до откриването на тези неуловими сигнали? Екипът на спътника Gaia планира да пусне още 5,5 години наблюдения на квазари през 2026 г., предоставяйки на астрономите значително по-голям набор от данни, който може най-накрая да разкрие ясни доказателства за въздействието на гравитационните вълни върху позициите на квазарите.

"Ако можем да наблюдаваме милиони квазари, тогава може би ще можем да открием тези сигнали, скрити в този много голям набор от данни", отбелязва Дарлинг.

Последиците от това изследване се простират отвъд рамките на чистата астрономия. Разбирането на гравитационните вълни може да помогне на учените да проследят еволюцията на галактиките и да проверят фундаментални предположения за самата гравитация. То представлява значителна стъпка към разработването на по-пълен инструментариум за наблюдение на някои от най-мощните и загадъчни явления в нашата Вселена.

Справка: A New Approach to the Low-frequency Stochastic Gravitational-wave Background: Constraints from Quasars and the Astrometric Hellings–Downs Curve; Jeremy Darling; The Astrophysical Journal Letters, Volume 982, Number 2; DOI: 10.3847/2041-8213/adbf0d

Източник: Astronomers Just Found a New Way to Hear the Universe’s Gravitational Symphony—Using Quasars, University of Colorado

Още по темата

20/11/2023

Физика

NANOGrav може да е уловил сигнал от инфлацията на ранната Вселена

29/06/2023

Космос

Симфония на чудовищни ​​гравитационни вълни е регистрирана за първи път

13/01/2021

Космос

Учените са близо до откриването на гравитационни вълни от свръхмасивни черни дупки