Екзотичні зорі допомогли виявити гравітаційні хвилі дуже низької частоти

Астрофізики, використовуючи великі радіотелескопи для спостереження за колекцією космічних годинників у нашій галактиці, виявили докази існування гравітаційних хвиль, що коливаються з періодами від кількох років до десятиліть.

Про це розповідається в пресрелізі Північноамериканської наногерцової обсерваторії гравітаційних хвиль (NANOGrav), передають OstanniPodii.com.

Результати відкриття опубліковано в журналі The Astrophysical Journal Letters.

Сигнал гравітаційних хвиль було виявлено в 15-річних даних, отриманих Центром фізичних кордонів (PFC) NANOGrav - колаборації з понад 190 науковців зі США та Канади, які використовують пульсари для пошуку гравітаційних хвиль. Міжнародні колаборації, що використовують телескопи в Європі, Індії, Австралії та Китаї, незалежно одна від одної повідомили про подібні результати.

Хоча у попередніх результатах від NANOGrav було виявлено загадковий часовий сигнал, спільний для всіх спостережуваних пульсарів, він був занадто слабким, щоб визначити його походження. Опубліковані за 15 років дані показують, що сигнал відповідає повільно хвилеподібним гравітаційним хвилям, що проходять через нашу галактику.

"Це ключовий доказ існування гравітаційних хвиль на дуже низьких частотах", - говорить доктор Стівен Тейлор з Університету Вандербільта, який був одним з керівників пошуку та нині є головою колаборації. "Після багатьох років роботи NANOGrav відкриває абсолютно нове вікно у всесвіт гравітаційних хвиль".

На відміну від швидкоплинних високочастотних гравітаційних хвиль, які спостерігають наземні прилади, як-от LIGO (Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія), цей безперервний низькочастотний сигнал можна сприйняти тільки за допомогою детектора розміром, що набагато більший за Землю. Щоб задовольнити цю потребу, астрономи перетворили наш сектор галактики Чумацький Шлях на величезну гравітаційно-хвильову антену, використовуючи екзотичні зорі, звані пульсарами. Під час 15-річної роботи NANOGrav було зібрано дані з 68 пульсарів, щоб сформувати тип детектора, званий пульсарною часовою решіткою.

Пульсар - це надщільний залишок ядра масивної зірки після її загибелі внаслідок вибуху наднової. Пульсари швидко обертаються, поширюючи пучки радіохвиль у просторі, тому під час спостереження із Землі вони здаються такими, що "пульсують". Найшвидші з цих об′єктів, звані мілісекундними пульсарами, обертаються сотні разів на секунду. Їхні імпульси дуже стабільні, що робить їх корисними як точні космічні хронометри.

Новини за подібною темою:

		"Вебб" виявив, що чорні діри швидко зупиняють зореутворення у масивних галактиках
		У нашій галактиці знайдено наймасивнішу чорну діру зоряної маси
		Астрономи виявили крихітну чорну діру, яка неодноразово пробиває газовий диск більшої чорної діри

За 15 років спостережень за допомогою обсерваторії Аресібо в Пуерто-Рико, телескопа Грін-Бенк у Західній Вірджинії та Дуже великого масиву в Нью-Мексико NANOGrav поступово розширив число спостережуваних пульсарів. "Пульсари насправді є дуже слабкими радіоджерелами, тому для проведення цього експерименту нам потрібні тисячі годин на рік на найбільших телескопах світу", - пояснює доктор Маура Маклафлін з Університету Західної Вірджинії та співдиректор PFC NANOGrav.

Загальна теорія відносності Ейнштейна точно пророкує, як гравітаційні хвилі повинні впливати на сигнали пульсарів. Розтягуючи та стискаючи тканину простору, гравітаційні хвилі впливають на час кожного імпульсу невеликим, але передбачуваним чином, затримуючи одні й прискорюючи інші. Ці зрушення корелюють для всіх пар пульсарів залежно від відстані між двома зорями на небі.

"Велика кількість пульсарів, які використовуються в аналізі NANOGrav, дала нам змогу побачити перші ознаки кореляції, передбаченої загальною теорією відносності", - каже доктор Ксав′є Сіменс з Університету штату Орегон, співдиректор PFC NANOGrav.

Спостереження такої кількості пульсарів вимагає величезних інвестицій у людей, інфраструктуру та час. У 2004 році невелика група астрономів провела перший набір спостережень за пульсарами, які лягли в основу цієї роботи. Протягом майже двох десятиліть група збільшувалася в кількості людей та різноманітності знань, необхідних для виконання цього складного пошуку гравітаційних хвиль. На цьому шляху сформувалася співпраця NANOGrav, у рамках якої об′єднані знання й навички учасників дали змогу розширити збір даних і поліпшити аналіз.

Спочатку пульсарні прилади не були достатньо точними для досягнення чутливості, необхідної для цього експерименту. Команда працювала над створенням приладів нового покоління для телескопів Аресібо й Грін-Бенк. Вони досліджували відомі пульсари, щоб знайти досить точні для пошуку низькочастотних гравітаційних хвиль, і додали їх у масив пульсарного хронометражу. Паралельно з цим відбувалися досягнення в теорії та прориви в методах аналізу даних, які були налаштовані та оптимізовані для сучасних обчислювальних архітектур.

На цьому шляху NANOGrav знайшов безліч застосувань своїм багатим даним про час пульсарів, вирішивши широкий спектр гостроцікавих астрофізичних загадок. Дані та методологія NANOGrav описані в супутніх опублікованих статтях. "Уперше ми випустили програмне забезпечення, використане для отримання нашого набору даних, разом із самими даними", - пояснює доктор Джозеф Свіггам з Коледжу Лафайєтт, керівник роботи із синхронізації пульсарів. "Усі інструменти, необхідні для відтворення наших результатів, тепер перебувають у відкритому доступі, що полегшує роботу інших учених. Це сприятиме поліпшенню коду, розширенню нашої взаємодії зі спільнотою та надасть студентам можливості для навчання".

У 2020 році, маючи трохи більше ніж дванадцять років даних, науковці NANOGrav почали помічати натяки на сигнал, додатковий "гул", який був характерний для тимчасової поведінки всіх пульсарів у масиві, та який не міг усунути ретельний розгляд можливих альтернативних пояснень. Співробітники були впевнені, що цей сигнал реальний, і його все легше виявити в міру ввімкнення більшої кількості спостережень. Але він все ще був занадто слабким, щоб показати гравітаційно-хвильовий сигнал, передбачений загальною теорією відносності. Тепер, після 15 років спостережень за пульсарами, з′явилися перші докази присутності гравітаційних хвиль з періодами від кількох років до десятиліть.

Доктор Сара Вігеланд з Університету Вісконсін-Мілуокі, яка разом із Тейлором очолює роботу NANOGrav з визначення джерела сигналу, каже: "Тепер, коли у нас є докази існування гравітаційних хвиль, наступним кроком буде використання наших спостережень для вивчення джерел, що створюють цей гул. Одна з можливостей полягає в тому, що сигнал походить від пар надмасивних чорних дір, маса яких у мільйони або мільярди разів перевищує масу нашого Сонця. Коли ці гігантські чорні діри обертаються одна навколо одної, вони виробляють низькочастотні гравітаційні хвилі".

Вважається, що надмасивні чорні діри знаходяться в центрах найбільших галактик у Всесвіті. Коли дві галактики зливаються, чорні діри кожної з них опускаються в центр новоствореної об′єднаної галактики та обертаються одна навколо одної як бінарна система ще довгий час після початкового злиття галактик. Зрештою, дві чорні діри об′єднаються. Тим часом їхній повільний спіральний рух розтягує й стискає тканину простору-часу, генеруючи гравітаційні хвилі, які поширюються від вихідної галактики, як брижі у ставку, і врешті-решт досягають нашої планети.

Гравітаційні хвилі, ілюстрація nasa.tumblr.com

Очікується, що сигнали гравітаційних хвиль від цих гігантських бінарів накладатимуться один на одного, як голоси в натовпі або інструменти в оркестрі, створюючи загальний фоновий "гул", який друкує унікальний патерн в часових даних пульсарів. Цей патерн вчені NANOGrav шукають уже майже 20 років. У нещодавно опублікованих роботах NANOGrav демонструє докази існування цього гравітаційно-хвильового фону.

Детальний аналіз фонового гулу вже дає змогу зрозуміти, як ростуть і зливаються надмасивні чорні діри. З огляду на силу сигналу, який спостерігає NANOGrav, популяція надмасивних подвійних чорних дір у Всесвіті має обчислюватися сотнями тисяч, можливо, навіть мільйонами.

"У якийсь момент вчені були стурбовані тим, що надмасивні чорні діри в бінарах будуть вічно обертатися одна навколо одної, ніколи не зближуючись настільки, щоб генерувати подібний сигнал", - говорить доктор Люк Келлі з Каліфорнійського університету в Берклі та голова групи астрофізики NANOGrav. "Але тепер у нас нарешті є переконливі докази того, що багато хто з цих надзвичайно масивних і тісних бінарів дійсно існують. Щойно дві чорні діри зблизяться настільки, що їх можна буде побачити за допомогою пульсарів, ніщо не зможе зупинити їхнє злиття протягом кількох мільйонів років".

Майбутні дослідження цього сигналу допоможуть вченим зрозуміти, як розвивався Всесвіт у найбільших масштабах, надавши інформацію про те, як часто стикаються галактики та що спонукає чорні діри до злиття. Крім того, гравітаційні пульсації самого Великого вибуху можуть становити деяку частину сигналу, даючи уявлення про те, як формувався сам Всесвіт. Ці результати мають наслідки навіть у найменших масштабах, встановлюючи межі того, які екзотичні частинки можуть існувати в нашому Всесвіті.

Очікується, що з часом NANOGrav зможе виділити внесок відносно близьких окремих бінарів надмасивних чорних дір. "Ми використовуємо детектор гравітаційних хвиль розміром з галактику, який складається з екзотичних зірок, що просто вражає уяву", - вигукує доктор Скотт Ренсом з Національної радіоастрономічної обсерваторії. "Наші попередні дані говорили нам, що ми щось чуємо, але ми не знали що. Тепер ми знаємо, що це музика, яка виходить із гравітаційного Всесвіту. Продовжуючи слухати, ми, ймовірно, зможемо вловити ноти інструментів, що грають у цьому космічному оркестрі. Об′єднання результатів досліджень гравітаційних хвиль з вивченням структури та еволюції галактик зробить революцію в нашому розумінні історії нашого Всесвіту".

Астрофізики всього світу були зайняті пошуком сигналу гравітаційних хвиль. Кілька робіт, опублікованих в один день австралійською, китайською, європейською та індійською системами синхронізації пульсарів, повідомляють про натяки на той самий сигнал у своїх даних. У межах консорціуму International Pulsar Timing Array регіональні колаборації об′єднують свої дані, щоб краще схарактеризувати сигнал і знайти нові типи джерел. "Наші об′єднані дані будуть набагато потужнішими", - каже Тейлор. "Нам не терпиться дізнатися, які таємниці вони відкриють про наш Всесвіт".

• Чорні діри
• Пульсари
• гравітаційні хвилі