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

Времето на импулсите от мъртви звезди подсказва за пулсации в пространство-времето, които са дълги светлинни години

Ваня Милева Последна промяна на 29 юни 2023 в 16:01 24655 0

Илюстрация на пулсар.

Кредит AURORE SIMONET FOR THE NANOGRAV COLLABORATION

Мъртвите звезди, наречени пулсари (на илюстрацията), излъчват снопове радиовълни, които преминават покрай Земята като по часовник. Предполага се, че гравитационните вълни от двойки свръхмасивни черни дупки (горе вляво) разкъсват тъканта на пространство-времето и променят времето на пулсарите.

Учените подозират, че зад експлозиите, сблъсъците и другите периодични трусове в космоса звучи непрестанен саундтрак, създаден от пулсациите на пространство-времето, които непрекъснато пронизват Вселената. След повече от десетилетие търсене учените може би най-накрая са чули това фоново бучене.

Няколко екипа изследователи от цял свят съобщават за първите ясни доказателства за тези гравитационни вълни. За разлика от откритите преди това гравитационни вълни, тези нови вълни са с поразително дълги вълни - от порядъка на светлинни години. Техният вероятен източник са безброй двойки черни дупки, които разтърсват пространствено-времевия котел, докато се въртят една около друга.

Ако това предположение е вярно, резултатът ще предостави първото доказателство, че двойки чудовищни черни дупки с маси, милиарди пъти по-големи от тези на Слънцето, могат да се слеят в една.

Ако гравитационните вълни са реални и ако те наистина са сигнал за двойки свръхмасивни черни дупки, "това е чудо", коментира астрофизикът Мег Ури (Meg Urry) от Йейлския университет.

"Изключително интересно е, защото ние по същество нямаме никаква представа какво правят най-масивните черни дупки."

Снимка на радиотелескопа Ефелсберг в Германия.Астрономите използват различни радиотелескопи, включително радиотелескопа Ефелсберг (на снимката) в Германия, за да наблюдават пулсари в търсене на гравитационни вълни. Кредит: TACKEN, MPIFR

Гравитационните вълни се създават от ускоряващи се масивни обекти. Когато тези вълни се носят из Вселената, те размърдват тъканта на пространство-времето, от което е съставена реалността. През 2015 г. учените от Усъвършенстваната лазерна интерферометрична гравитационно-вълнова обсерватория, или LIGO, за първи път регистрираха гравитационни вълни. Тези вълни бяха породени от сливането на сравнително малки черни дупки, съвсем различни чудовища от свръхмасивните, които се крият в центровете на галактиките.

Докато LIGO улавя гравитационни вълни, които могат да продължат само части от секундата, обикалящите в орбита свръхмасивни черни дупки се очаква да излъчват вълни непрекъснато в продължение на милиони години, създавайки пулсации, които заливат космоса с постоянното си бучене.

"Това е нещо съвсем различно, нещо съвсем ново", заявява изследователят от LIGO Даниел Холц (Daniel Holz), астрофизик от Чикагския университет. "Това е страхотно."

В цялата Вселена галактиките редовно се преплитат и сливат. Учените предполагаха, че когато това се случва, техните свръхмасивни черни дупки ще се въртят една около друга и ще излъчват гравитационни вълни. Много двойки черни дупки биха танцували този орбитален танц едновременно в многото сливащи се галактики, разпръснати из целия космос, и всички те биха изпращали своите пулсации на пространство-времето в космоса.

"Земята просто случайно се сблъсква с това море от гравитационни вълни", обяснява астрофизикът Маура Маклафлин (Maura McLaughlin) от Университета на Западна Вирджиния в Моргантаун и член на Северноамериканската нано-херцова обсерватория за гравитационни вълни, или NANOGrav.

Откриването на тази смесица от гравитационни вълни не е лесно. Задачата изисква от учените да превърнат Млечния път в детектор на гравитационни вълни, като засичат часовника на мъртвите, въртящи се останки от експлодирали звезди, наречени пулсари, които излъчват снопове радиовълни, докато се въртят. Тези снопове преминават през Земята на равни интервали от време, подобно на прецизното тиктакане на часовник. Гравитационните вълни, които разтягат и притискат пространството между пулсарите и Земята, предизвикват по-ранно или по-късно тиктакане на пулсарите, което се наблюдава с различни радиотелескопи по света.

За да се уверят, че виждат гравитационни вълни, а не безинтересни трептения, изследователите търсят специален вид корелация между различните пулсари. Пулсарите, които се намират близо един до друг на небето, би трябвало да показват сходни измествания на времето, но тези, които са разположени под прав ъгъл един спрямо друг, би трябвало да наблюдават противоположни измествания: При единия пулсар пулсациите идват рано, а при другия - късно.

Този убедителен отличителен белег най-накрая е наблюдаван, съобщават изследователите от NANOGrav на 28 юни в Astrophysical Journal Letters.

"Нищо в природата не може да имитира това", заявява Киара Мингарели (Chiara Mingarelli), астрофизик от Йейлския университет и изследовател от NANOGrav. "Само гравитационните вълни могат да направят това."

Техният резултат се основава на 15 години, прекарани в наблюдение на десетки пулсари.

"Това са наистина вдъхновяващи неща", коментира астрофизикът Майкъл Кийт (Michael Keith) от Манчестърския университет в Англия, член на Европейския масив за измерване на времето на пулсарите, или EPTA.

Екипът на EPTA прекарва още по-дълго време в наблюдение на пулсарите - четвърт век.

"Стигнахме до момента, в който започнахме да си мислим, че може би сигналът е толкова слаб, че никога няма да го открием", разказва Кийт. Но показателната корелация между пулсарите се прояви и в резултатите от EPTA, които бяха съобщени на 28 юни в Astronomy and Astrophysics съвместно с изследователи от Indian Pulsar Timing Array.

Някои учени са смятали, че свръхмасивните черни дупки в сливащите се галактики никога няма да се приближат достатъчно, за да се слеят една с друга или да излъчат гравитационни вълни като наблюдаваните.

"Всъщност това бе болна тема за нашата област в продължение на много години", споделя Мингарели.

За сметка на това сигналът от гравитационните вълни изглежда по-силен от очакваното. Това предполага, че "има много черни дупки, те се сливат охотно, а черните дупки също растат [до големи маси] много охотно", посочва астрофизикът Марта Волонтери (Marta Volonteri) от Института по астрофизика в Париж, която не е участвала в новото изследване.

Учените са направили детектор на гравитационни вълни от Млечния път (участък, илюстриран в сиво), като са наблюдавали времето на сигналите от десетки експлодирали, въртящи се звезди, наречени пулсари (сините звезди), наблюдавани от Земята (жълтата звезда).  Кредит: NANOGRAV

Бъдещата работа може да разкрие повече за свръхмасивните черни дупки и тяхното обкръжение, отбелязва астрономът Райън Шанън (Ryan Shannon) от Технологичния университет Суинбърн в Мелбърн, Австралия.

"По-доброто разбиране на характеристиките на тези свръхмасивни черни дупки ще ни помогне да разберем как се формират и развиват галактиките", обяснява Шанън, изследовател на Parkes Pulsar Timing Array в Австралия, който също съобщава независими резултати в Astrophysical Journal Letters и Publications of the Astronomical Society of Australia.

Екипите обявяват, че са открили фонови гравитационни вълни, като по-скоро представят резултатите си като убедително доказателство за пулсациите. Взети поотделно, техните резултати не отговарят на най-строгите стандарти за статистическа значимост, установени от физиците. В бъдещата си работа екипите планират да комбинират данните си с надеждата да потвърдят откритието.

И въпреки че свръхмасивните черни дупки са най-простото обяснение за произхода на вълните, изследователите все още не могат да изключат и по-екзотичен произход. Например, вълните може да са възникнали в резултат на инфлацията - периодът непосредствено след Големия взрив, когато се смята, че Вселената се е разширявала невероятно бързо.

Какъвто и да е източникът, бъдещото изучаване на тези гравитационни вълни със сигурност ще има вълнуващ ефект.

Справка:

G. Agazie et al. The NANOGrav 15-Year data set: Detector characterization and noise budget. Astrophysical Journal Letters. Published online June 28, 2023. doi: 10.3847/2041-8213/acda88.

G. Agazie et al. The NANOGrav 15-year data set: Evidence for a gravitational-wave background. Astrophysical Journal Letters. Published online June 28, 2023. doi: 10.3847/2041-8213/acdac6.

G. Agazie et al. The NANOGrav 15-year data set: Observations and timing of 68 millisecond pulsars. Astrophysical Journal Letters. Published online June 28, 2023. doi: 10.3847/2041-8213/acda9a.

A. Afzal et al. The NANOGrav 15-year data set: Search for signals from new physics. Astrophysical Journal Letters. Published online June 28, 2023. doi: 10.3847/2041-8213/acdc91

G. Agazie et al. The NANOGrav 15-year data set: An astrophysical interpretation of a gravitational wave background from supermassive black hole binaries. Astrophysical Journal Letters. In press, 2023.

J. Antoniadis et al. The second data release from the European Pulsar Timing Array I. The dataset and timing analysis. Astronomy & Astrophysics. Published online June 28, 2023.

J. Antoniadis et al. The second data release from the European Pulsar Timing Array II. Customised pulsar noise models for spatially correlated gravitational waves. Astronomy & Astrophysics. Published online June 28, 2023.

J. Antoniadis et al. The second data release from the European Pulsar Timing Array. III. Search for gravitational wave signals. Astronomy & Astrophysics. Published online June 28, 2023.

A. Zic et al. The Parkes Pulsar Timing Array Third Data Release. Publications of the Astronomical Society of Australia. Published online June 28, 2023.

D.J. Reardon et al. Search for an isotropic gravitational-wave background with the Parkes Pulsar Timing Array. Astrophysical Journal Letters. Published online June 28, 2023.

D.J. Reardon et al. The gravitational-wave background null hypothesis: Characterizing noise in millisecond pulsar observations with the Parkes Pulsar Timing Array. Astrophysical Journal Letters. Published online June 28, 2023.

H. Xu et al. Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I. Research in Astronomy and Astrophysics. Vol. 23, July 2023, p. 075024. doi: 10.1088/1674-4527/acdfa5.

Източник: A newfound gravitational wave ‘hum’ may be from the universe’s biggest black holes, Science News

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !