Впервые зафиксирован шум гравитационных волн от сливающихся во Вселенной сверхмассивных черных дыр
После 15 лет сбора данных в рамках эксперимента размером с галактику ученые впервые «услышали» непрекращающийся хор гравитационных волн, пронизывающих нашу Вселенную, и он громче, чем ожидалось. Новаторское открытие было сделано учеными из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (НАНОГрав). В серии новых статей, опубликованных сегодня в The Astrophysical Journal Letters, ученые НАНОграв сообщают, что большинство гигантских гравитационных волн, вероятно, создаются парами сверхмассивных черных дыр, движущихся по спирали к катастрофическим столкновениям по всему космосу.
В интерпретации этого художника пара сверхмассивных черных дыр (вверху слева) излучает гравитационные волны, которые пульсируют в ткани пространства-времени. Эти гравитационные волны сжимают и растягивают траектории радиоволн, излучаемых пульсарами (белые). Тщательно измерив радиоволны, группа ученых недавно впервые обнаружила фон гравитационных волн Вселенной.
Предоставлено: Аврора Симонне для коллаборации NANOGrav.
Новаторское открытие было сделано учеными из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (НАНОГрав), которые внимательно наблюдали за звездами, называемыми пульсарами, которые действуют как небесные метрономы. Недавно обнаруженные гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени — на сегодняшний день являются самыми мощными из когда-либо измеренных: они несут примерно в миллион раз больше энергии, чем единичные всплески гравитационных волн от обнаруженных слияний черных дыр и нейтронных звезд с помощью таких экспериментов, как LIGO и Virgo.
Большинство гигантских гравитационных волн, вероятно, создаются парами сверхмассивных черных дыр, движущихся по спирали к катастрофическим столкновениям по всему космосу, сообщают ученые НАНОграв в серии новых статей, опубликованных сегодня в The Astrophysical Journal Letters.
«Это похоже на хор со всеми этими парами сверхмассивных черных дыр, играющими на разных частотах», — говорит ученый из NANOGrav Кьяра Мингарелли, которая работала над новыми открытиями, будучи младшим научным сотрудником Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон в Нью-Йорке. «Это первое в истории свидетельство существования гравитационных волн. Мы открыли новое окно для наблюдения за Вселенной».
Предоставлено: Национальный научный фонд.
Существование и состав фона гравитационных волн — долгое время теоретизируемое, но никогда ранее не услышанное — представляет собой сокровищницу нового понимания давних вопросов, от судьбы пар сверхмассивных черных дыр до частоты слияний галактик.
На данный момент НАНОГрав может измерять только общий фон гравитационных волн, а не излучение отдельных «певцов». Но даже это преподнесло сюрпризы.
«Фон гравитационных волн примерно в два раза громче, чем я ожидал», — говорит Мингарелли, ныне доцент Йельского университета. «Это действительно верхний предел того, что наши модели могут создать только из сверхмассивных черных дыр».
Оглушительный объем может быть результатом экспериментальных ограничений или более тяжелых и более распространенных сверхмассивных черных дыр. Но есть также вероятность того, что мощные гравитационные волны генерируются чем-то другим, говорит Мингарелли, например, механизмами, предсказанными теорией струн , или альтернативными объяснениями рождения Вселенной. «Что дальше, так это все», — говорит она. "Это только начало."
Художественная визуализация гравитационных волн от пары близких по орбите черных дыр (видны слева вдалеке). Волны проходят мимо нескольких пульсаров и Земли (справа).
Предоставлено: Кейи «Оникс» Ли/Национальный научный фонд США.
Галактический эксперимент
Достижение этой точки было многолетней задачей для команды НАНОГрав. Гравитационные волны, за которыми они охотились, отличаются от всего, что было измерено ранее. В отличие от высокочастотных волн, обнаруженных наземными приборами, такими как LIGO и Virgo, фон гравитационных волн состоит из ультранизкочастотных волн. На один подъем и спад одной из волн могут уйти годы или даже десятилетия. Поскольку гравитационные волны распространяются со скоростью света, длина одной длины волны может составлять десятки световых лет.
Ни один эксперимент на Земле никогда не мог обнаружить такие колоссальные волны, поэтому команда НАНОГрав вместо этого смотрела на звезды. Они внимательно наблюдали за пульсарами, сверхплотными остатками массивных звезд, превратившихся в сверхновые. Пульсары действуют как звездные маяки, испуская лучи радиоволн со своих магнитных полюсов. Поскольку пульсары быстро вращаются (иногда сотни раз в секунду), эти лучи проносятся по небу, появляясь с нашей точки зрения на Земле как ритмичные импульсы радиоволн.
Очень большой массив в Нью-Мексико собрал данные, которые помогли обнаружить фон гравитационных волн во Вселенной. Кредит: NRAO/AUI/NSF
Импульсы поступают на Землю, как идеально синхронизированный метроном. Время настолько точное, что, когда Джоселин Белл измерила первые радиоволны пульсара в 1967 году, астрономы подумали, что это могут быть сигналы инопланетной цивилизации.
Когда между нами и пульсаром проходит гравитационная волна, она сбивает синхронизацию радиоволн. Это потому, что, как предсказал Альберт Эйнштейн, гравитационные волны растягивают и сжимают пространство, когда они колеблются в космосе, изменяя расстояние, на которое должны распространяться радиоволны.
В течение 15 лет ученые НАНОграв из США и Канады точно определяли время импульсов радиоволн от десятков миллисекундных пульсаров в нашей галактике с помощью обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, телескопа Грин-Бэнк в Западной Вирджинии и Очень большого массива в Нью-Мексико. Новые результаты являются результатом детального анализа массива из 67 пульсаров.
«Пульсары на самом деле являются очень слабыми источниками радиоизлучения, поэтому для проведения этого эксперимента нам требуются тысячи часов в год на крупнейших в мире телескопах», — говорит Маура Маклафлин из Университета Западной Вирджинии, содиректор Центра физических границ NANOGrav. «Эти результаты стали возможными благодаря постоянной приверженности Национального научного фонда (NSF) этим исключительно чувствительным радиообсерваториям».
Обнаружение фона
В 2020 году, имея данные чуть более чем за 12 лет, ученые НАНОграв начали замечать намеки на сигнал, дополнительный «гул», общий для временного поведения всех пульсаров в массиве. Теперь, спустя три года дополнительных наблюдений, они накопили конкретные доказательства существования фона гравитационных волн.
«Теперь, когда у нас есть доказательства существования гравитационных волн, следующим шагом будет использование наших наблюдений для изучения источников, создающих этот гул», — говорит Сара Вигеланд из Университета Висконсин-Милуоки, председатель рабочей группы по обнаружению НАНОграв.
Наиболее вероятными источниками гравитационно-волнового фона являются пары сверхмассивных черных дыр, попавших в смертельную спираль. Эти черные дыры поистине колоссальны, они содержат массу в миллиарды солнц. Почти все галактики, включая наш Млечный Путь, имеют в своем ядре хотя бы одного из этих гигантов. Когда две галактики сливаются, их сверхмассивные черные дыры могут встретиться и начать вращаться вокруг друг друга. Со временем их орбиты сужаются, поскольку газ и звезды проходят между черными дырами и крадут энергию.
В конце концов, сверхмассивные черные дыры подходят так близко, что кража энергии прекращается. Некоторые теоретические исследования десятилетиями утверждали, что черные дыры останавливаются на неопределенный срок, когда они находятся на расстоянии около 1 парсека друг от друга (примерно три световых года). Эта теория «близко, но без сигары» стала известна как последняя проблема парсека. В этом сценарии только редкие группы из трех или более сверхмассивных черных дыр приводят к слиянию.
Однако у пар сверхмассивных черных дыр может быть коварство в рукаве. Они могут излучать энергию в виде мощных гравитационных волн, вращаясь вокруг друг друга, пока в конце концов не столкнутся в катастрофическом финале. «Как только две черные дыры окажутся достаточно близко, чтобы их можно было увидеть с помощью временных массивов пульсаров, ничто не сможет помешать им слиться всего через несколько миллионов лет», — говорит Люк Келли из Калифорнийского университета в Беркли, председатель астрофизической группы НАНОграв.
Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, излучающие узкие, широкие лучи радиоволн.
Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.
Существование фона гравитационных волн, обнаруженное НАНОГрав, кажется, подтверждает это предсказание, потенциально положив конец последней проблеме парсека.
Поскольку пары сверхмассивных черных дыр образуются в результате слияния галактик, обилие их гравитационных волн поможет космологам оценить, как часто галактики сталкивались на протяжении всей истории Вселенной. Мингарелли, научный сотрудник Дебора С. Гуд из CCA и Университета Коннектикута и их коллеги изучали интенсивность фона гравитационных волн. По их оценкам, во Вселенной обитают сотни тысяч, а может быть, даже миллион или более сверхмассивных двойных черных дыр.
Альтернативные источники
Однако не все гравитационные волны, обнаруженные НАНОГрав, обязательно исходят от пар сверхмассивных черных дыр. Другие теоретические предложения также предсказывают волны в ультранизкочастотном диапазоне. Теория струн, например, предсказывает, что в ранней Вселенной могли образоваться одномерные дефекты, называемые космическими струнами. Эти струны могли рассеивать энергию, излучая гравитационные волны. Другое предположение предполагает, что Вселенная началась не с Большого Взрыва, а с Большого Отскока, поскольку предшественница Вселенная коллапсировала сама в себя, прежде чем снова расшириться наружу. В такой истории происхождения гравитационные волны от инцидента все еще будут пульсировать в пространстве-времени.
Также существует вероятность того, что пульсары не являются идеальными детекторами гравитационных волн, как считают ученые, и вместо этого у них может быть какая-то неизвестная изменчивость, которая искажает результаты НАНОграв. «Мы не можем подойти к пульсарам и снова включить и выключить их, чтобы проверить, нет ли ошибки», — говорит Мингарелли.
Команда НАНОграв надеется изучить всех потенциальных участников новооткрытого фона гравитационных волн, продолжая наблюдать за пульсарами. Группа планирует разбить фон на основе частоты и происхождения волн в небе.
Международное усилие
К счастью, команда НАНОГрав не одинока в своих поисках. Несколько статей, опубликованных сегодня совместными усилиями с использованием телескопов в Европе, Индии, Китае и Австралии, сообщают о намеках на один и тот же фоновый сигнал гравитационных волн в своих данных. Через консорциум International Pulsar Timing Array отдельные группы объединяют свои данные, чтобы лучше охарактеризовать сигнал и идентифицировать его источники.
«Наши объединенные данные будут гораздо более мощными», — говорит Стивен Тейлор из Университета Вандербильта, один из руководителей нового исследования и в настоящее время председатель коллаборации NANOGrav. «Мы рады узнать, какие секреты они откроют о нашей вселенной».
