Экзотические звезды помогли обнаружить гравитационные волны очень низкой частоты

Астрофизики, используя большие радиотелескопы для наблюдения за коллекцией космических часов в нашей галактике, обнаружили доказательства существования гравитационных волн, колеблющихся с периодами от нескольких лет до десятилетий.

Об этом рассказывается в пресс-релизе Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav), передают OstanniPodii.com.

Результаты открытия опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

Сигнал гравитационных волн был обнаружен в 15-летних данных, полученных Центром физических границ (PFC) NANOGrav - коллаборации из более 190 ученых из США и Канады, использующих пульсары для поиска гравитационных волн. Международные коллаборации, использующие телескопы в Европе, Индии, Австралии и Китае, независимо друг от друга сообщили о подобных результатах.

Хотя в предыдущих результатах от NANOGrav был обнаружен загадочный временной сигнал, общий для всех наблюдаемых пульсаров, он был слишком слабым, чтобы определить его происхождение. Опубликованные за 15 лет данные показывают, что сигнал соответствует медленно волнообразным гравитационным волнам, проходящим через нашу галактику.

"Это ключевое доказательство существования гравитационных волн на очень низких частотах", - говорит доктор Стивен Тейлор из Университета Вандербильта, который был одним из руководителей поиска и в настоящее время является председателем коллаборации. "После многих лет работы NANOGrav открывает совершенно новое окно во вселенную гравитационных волн".

В отличие от быстротекущих высокочастотных гравитационных волн, которые наблюдают наземные приборы, такие как LIGO (Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), этот непрерывный низкочастотный сигнал можно воспринять только с помощью детектора размером намного больше Земли. Чтобы удовлетворить эту потребность, астрономы превратили наш сектор галактики Млечный Путь в огромную гравитационно-волновую антенну, используя экзотические звезды, называемые пульсарами. Во время 15-летней работы NANOGrav были собраны данные с 68 пульсаров, чтобы сформировать тип детектора, называемый пульсарной временной решеткой.

Пульсар - это сверхплотный остаток ядра массивной звезды после ее гибели в результате взрыва сверхновой. Пульсары быстро вращаются, распространяя пучки радиоволн в пространстве, поэтому при наблюдении с Земли они кажутся "пульсирующими". Самые быстрые из этих объектов, называемые миллисекундными пульсарами, вращаются сотни раз в секунду. Их импульсы очень стабильны, что делает их полезными как точные космические хронометры.

Новости по подобной теме:

		"Уэбб" обнаружил, что черные дыры быстро останавливают звездообразование в массивных галактиках
		В нашей галактике найдена самая массивная черная дыра звездной массы
		Астрономы обнаружили крошечную черную дыру, неоднократно пробивающую газовый диск более крупной черной дыры

За 15 лет наблюдений с помощью обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, телескопа Грин-Бэнк в Западной Вирджинии и Очень большого массива в Нью-Мексико NANOGrav постепенно расширил число наблюдаемых пульсаров. "Пульсары на самом деле являются очень слабыми радиоисточниками, поэтому для проведения этого эксперимента нам нужны тысячи часов в год на крупнейших телескопах мира", - объясняет доктор Маура Маклафлин из Университета Западной Вирджинии и содиректор PFC NANOGrav.

Общая теория относительности Эйнштейна точно предсказывает, как гравитационные волны должны влиять на сигналы пульсаров. Растягивая и сжимая ткань пространства, гравитационные волны влияют на время каждого импульса небольшим, но предсказуемым образом, задерживая одни и ускоряя другие. Эти сдвиги коррелируют для всех пар пульсаров в зависимости от расстояния между двумя звездами на небе.

"Большое количество пульсаров, используемых в анализе NANOGrav, позволило нам увидеть первые признаки корреляции, предсказанной общей теорией относительности", - говорит доктор Ксавье Сименс из Университета штата Орегон, содиректор PFC NANOGrav.

Наблюдение такого количества пульсаров требует огромных инвестиций в людей, инфраструктуру и время. В 2004 году небольшая группа астрономов провела первый набор наблюдений за пульсарами, которые легли в основу этой работы. В течение почти двух десятилетий группа увеличивалась в количестве людей и разнообразии знаний, необходимых для выполнения этого сложного поиска гравитационных волн. На этом пути сформировалось сотрудничество NANOGrav, в рамках которого объединенные знания и навыки участников позволили расширить сбор данных и улучшить анализ.

Изначально пульсарные приборы не были достаточно точными для достижения чувствительности, необходимой для этого эксперимента. Команда работала над созданием приборов нового поколения для телескопов Аресибо и Грин-Бэнк. Они исследовали известные пульсары, чтобы найти достаточно точные для поиска низкочастотных гравитационных волн, и добавили их в массив пульсарного хронометража. Параллельно с этим происходили достижения в теории и прорывы в методах анализа данных, которые были настроены и оптимизированы для современных вычислительных архитектур.

На этом пути NANOGrav нашел множество применений своим богатым данным о времени пульсаров, решив широкий спектр интригующих астрофизических загадок. Данные и методология NANOGrav описаны в сопутствующих опубликованных статьях. "Впервые мы выпустили программное обеспечение, использованное для получения нашего набора данных, вместе с самими данными", - объясняет доктор Джозеф Свиггам из Колледжа Лафайетт, руководитель работы по синхронизации пульсаров. "Все инструменты, необходимые для воспроизведения наших результатов, теперь находятся в открытом доступе, что облегчает работу других ученых. Это будет способствовать улучшению кода, расширению нашего взаимодействия с сообществом и предоставит студентам возможности для обучения".

В 2020 году, имея чуть более двенадцати лет данных, ученые NANOGrav начали замечать намеки на сигнал, дополнительный "гул", который был характерен для временного поведения всех пульсаров в массиве, и который не могло устранить тщательное рассмотрение возможных альтернативных объяснений. Сотрудники были уверены, что этот сигнал реален, и его все легче обнаружить по мере включения большего количества наблюдений. Но он все еще был слишком слабым, чтобы показать гравитационно-волновой сигнал, предсказанный общей теорией относительности. Теперь, после 15 лет наблюдений за пульсарами, появились первые доказательства присутствия гравитационных волн с периодами от нескольких лет до десятилетий.

Доктор Сара Вигеланд из Университета Висконсин-Милуоки, которая вместе с Тейлором возглавляет работу NANOGrav по определению источника сигнала, говорит: "Теперь, когда у нас есть доказательства существования гравитационных волн, следующим шагом будет использование наших наблюдений для изучения источников, создающих этот гул. Одна из возможностей заключается в том, что сигнал исходит от пар сверхмассивных черных дыр, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу нашего Солнца. Когда эти гигантские черные дыры вращаются друг вокруг друга, они производят низкочастотные гравитационные волны".

Считается, что сверхмассивные черные дыры находятся в центрах крупнейших галактик во Вселенной. Когда две галактики сливаются, черные дыры каждой из них опускаются в центр новообразованной объединенной галактики и вращаются друг вокруг друга как бинарная система еще долгое время после первоначального слияния галактик. В конце концов, две черные дыры объединятся. Между тем их медленное спиральное движение растягивает и сжимает ткань пространства-времени, генерируя гравитационные волны, которые распространяются от исходной галактики, как рябь в пруду, и в конце концов достигают нашей планеты.

Гравитационные волны, иллюстрация nasa.tumblr.com

Ожидается, что сигналы гравитационных волн от этих гигантских бинаров будут накладываться друг на друга, как голоса в толпе или инструменты в оркестре, создавая общий фоновый "гул", который печатает уникальный паттерн во временных данных пульсаров. Этот паттерн ученые NANOGrav ищут уже почти 20 лет. В недавно опубликованных работах NANOGrav демонстрирует доказательства существования этого гравитационно-волнового фона.

Детальный анализ фонового гула уже позволяет понять, как растут и сливаются сверхмассивные черные дыры. Учитывая силу сигнала, который наблюдает NANOGrav, популяция сверхмассивных двойных черных дыр во Вселенной должна исчисляться сотнями тысяч, возможно, даже миллионами.

"В какой-то момент ученые были обеспокоены тем, что сверхмассивные черные дыры в бинарах будут вечно вращаться друг вокруг друга, никогда не сближаясь настолько, чтобы генерировать подобный сигнал", - говорит доктор Люк Келли из Калифорнийского университета в Беркли и глава группы астрофизики NANOGrav. "Но теперь у нас наконец есть убедительные доказательства того, что многие из этих чрезвычайно массивных и тесных бинаров действительно существуют. Как только две черные дыры сблизятся настолько, что их можно будет увидеть с помощью пульсаров, ничто не сможет остановить их слияние в течение нескольких миллионов лет".

Будущие исследования этого сигнала помогут ученым понять, как развивалась Вселенная в самых больших масштабах, предоставив информацию о том, как часто сталкиваются галактики и что побуждает черные дыры к слиянию. Кроме того, гравитационные пульсации самого Большого взрыва могут составлять некоторую часть сигнала, давая представление о том, как формировалась сама Вселенная. Эти результаты имеют последствия даже в самых малых масштабах, устанавливая границы того, какие экзотические частицы могут существовать в нашей Вселенной.

Ожидается, что со временем NANOGrav сможет выделить вклад относительно близких отдельных бинаров сверхмассивных черных дыр. "Мы используем детектор гравитационных волн размером с галактику, который состоит из экзотических звезд, что просто поражает воображение", - восклицает доктор Скотт Рэнсом из Национальной радиоастрономической обсерватории. "Наши предыдущие данные говорили нам, что мы что-то слышим, но мы не знали что. Теперь мы знаем, что это музыка, которая исходит из гравитационной Вселенной. Продолжая слушать, мы, вероятно, сможем уловить ноты инструментов, играющих в этом космическом оркестре. Объединение результатов исследований гравитационных волн с изучением структуры и эволюции галактик произведет революцию в нашем понимании истории нашей Вселенной".

Астрофизики всего мира были заняты поиском сигнала гравитационных волн. Несколько работ, опубликованных в один день австралийской, китайской, европейской и индийской системами синхронизации пульсаров, сообщают о намеках на один и тот же сигнал в своих данных. В рамках консорциума International Pulsar Timing Array региональные коллаборации объединяют свои данные, чтобы лучше охарактеризовать сигнал и найти новые типы источников. "Наши объединенные данные будут намного мощнее", - говорит Тейлор. "Нам не терпится узнать, какие тайны они откроют о нашей Вселенной".

• Черные дыры
• Пульсары
• гравитационные волны