Астрономи використовують мертві зірки для вимірювання гравітаційних хвиль

Міжнародна група астрономів виявила слабкий сигнал гравітаційних хвиль, що відбиваються у Всесвіті. Використовуючи мертві зірки як гігантську мережу детекторів гравітаційних хвиль, колаборація під назвою NANOGrav змогла виміряти низькочастотний гул від хору брижів простору-часу. Я астроном, який вивчає та пише про космологію, чорні діри та екзопланети. Я досліджував еволюцію надмасивних чорних дір за допомогою космічного телескопа Хаббла.

Хоча члени команди, яка стоїть за цим новим відкриттям, ще не впевнені, вони сильно підозрюють, що фоновий гул гравітаційних хвиль, який вони виміряли, був спричинений незліченними стародавніми подіями злиття надмасивних чорних дір.

Використання мертвих зірок для космології

Гравітаційні хвилі — це брижі в просторі-часі, спричинені масивними об’єктами, що прискорюються. Альберт Ейнштейн передбачив їх існування у своїй загальній теорії відносності, в якій він припустив, що коли гравітаційна хвиля проходить через простір, вона змушує простір стискатися, а потім періодично розширюватися.

Дослідники вперше виявили прямі докази гравітаційних хвиль у 2015 році, коли гравітаційно-хвильова обсерваторія лазерного інтерферометра, відома як LIGO, зафіксувала сигнал від пари чорних дір, що зливаються, які подолали 1,3 мільярда світлових років, щоб досягти Землі.

Колаборація NANOGrav також намагається виявити брижі простору-часу, але в міжзоряному масштабі. Команда використовувала пульсари, які швидко обертаються мертві зірки, які випромінюють промінь радіовипромінювання. Пульсари функціонально схожі на маяк — коли вони обертаються, їхні промені можуть проходити через Землю через рівні проміжки часу.

Команда NANOGrav використовувала пульсари, які обертаються неймовірно швидко — до 1000 разів на секунду — і ці імпульси можна фіксувати, як цокання надзвичайно точного космічного годинника. Коли гравітаційні хвилі проносяться повз пульсар зі швидкістю світла, хвилі злегка розширяться та скорочуватимуться відстань між пульсаром і Землею, дещо змінюючи час між тактами.

Пульсари є настільки точними годинниками, що їх цокання можна виміряти з точністю до 100 наносекунд. Це дозволяє астрономам обчислити відстань між пульсаром і Землею з точністю до 100 футів (30 метрів). Гравітаційні хвилі змінюють відстань між цими пульсарами та Землею на десятки миль, роблячи пульсари достатньо чутливими для виявлення цього ефекту.

Знайти гул у какофонії

Перше, що потрібно було зробити команді NANOGrav, це контролювати шум у своєму детекторі космічних гравітаційних хвиль. Це включало шум у радіоприймачах, які він використовував, і тонку астрофізику, яка впливає на поведінку пульсарів. Навіть враховуючи ці ефекти, підхід команди був недостатньо чутливим, щоб виявити гравітаційні хвилі від окремих подвійних надмасивних чорних дір. Проте він мав достатню чутливість, щоб виявити суму всіх масивних злиттів чорних дір, які відбулися будь-де у Всесвіті з часів Великого вибуху — аж мільйон сигналів, що перекриваються.

У музичній аналогії це схоже на те, що ви стоїте у жвавому центрі міста й чуєте слабке звучання симфонії десь удалині. З-за шуму машин і людей навколо не вибереш жодного інструменту, але чути дзижчання сотні інструментів. Команда повинна була виділити ознаки цього «фону» гравітаційної хвилі з інших конкуруючих сигналів.

Команда змогла виявити цю симфонію, вимірявши мережу з 67 різних пульсарів протягом 15 років. Якби якісь порушення в цокання одного пульсара були спричинені гравітаційними хвилями з далекого Всесвіту, усі пульсари, за якими спостерігала команда, постраждали б подібним чином. 28 червня 2023 року команда опублікувала чотири статті з описом свого проекту та знайдених доказів фону гравітаційних хвиль.

Колаборація NANOGrav виявила гул від злиття чорних дір, які в мільярди разів масивніші за Сонце. Ці чорні діри дуже повільно обертаються одна навколо одної та виробляють гравітаційні хвилі з частотою в одну мільярдну частку герца. Це означає, що брижі простору-часу мають коливання кожні кілька десятиліть. Це повільне коливання хвилі є причиною, по якій команді довелося покладатися на неймовірно точне вимірювання часу пульсарів.

Ці гравітаційні хвилі відрізняються від хвиль, які може виявити LIGO. Сигнали LIGO виробляються, коли дві чорні діри, маса яких у 10-100 разів перевищує масу Сонця, зливаються в один об’єкт, що швидко обертається, створюючи гравітаційні хвилі, які коливаються сотні разів на секунду.

Якщо ви розглядаєте чорні діри як камертон, то чим менша подія, тим швидше вібрує камертон і тим вище висота звуку. LIGO виявляє гравітаційні хвилі, які «дзвенять» у чутному діапазоні. Команда NANOGrav знайшла «кільце» злиття чорних дір із частотою, яка в мільярди разів надто низька, щоб почути.

Гігантські чорні діри в ранньому Всесвіті

Астрономи вже давно цікавляться вивченням того, як зірки та галактики вперше з’явилися після Великого вибуху. Це нове відкриття від команди NANOGrav схоже на додавання іншого кольору — гравітаційних хвиль — до картини раннього Всесвіту, який тільки починає з’являтися, багато в чому завдяки космічному телескопу Джеймса Вебба.

Основна наукова мета космічного телескопа Джеймса Вебба — допомогти дослідникам вивчити, як утворилися перші зірки та галактики після Великого вибуху. Для цього Джеймс Вебб був розроблений для виявлення слабкого світла від неймовірно далеких зірок і галактик. Чим далі знаходиться об’єкт, тим довше потрібно світлу, щоб дістатися до Землі, тому Джеймс Вебб фактично є машиною часу, яка може заглянути на 13,5 мільярдів років назад, щоб побачити світло від перших зірок і галактик у Всесвіті.

Він був дуже успішним у пошуках, знайшовши сотні галактик, які заповнили Всесвіт світлом у перші 700 мільйонів років після Великого вибуху. Телескоп також виявив найдавнішу чорну діру у Всесвіті, розташовану в центрі галактики, яка утворилася лише через 500 мільйонів років після Великого вибуху.

Ці знахідки кидають виклик існуючим теоріям еволюції Всесвіту.

Щоб виростити величезну галактику, потрібно багато часу. Астрономи знають, що надмасивні чорні діри знаходяться в центрі кожної галактики та мають масу, пропорційну їхнім галактикам. Таким чином, ці стародавні галактики майже напевно мають відповідну масивну чорну діру у своїх центрах.

Проблема полягає в тому, що об’єкти, які знаходив Джеймс Вебб, набагато більші, ніж передбачає сучасна теорія.

Ці нові результати від команди NANOGrav виникли після першої можливості астрономів послухати гравітаційні хвилі стародавнього Всесвіту. Висновки, хоч і спокусливі, недостатньо вагомі, щоб вважати їх остаточним відкриттям. Це, ймовірно, зміниться, оскільки команда розширила свою мережу пульсарів до 115 пульсарів і повинна отримати результати цього наступного дослідження приблизно у 2025 році. Оскільки Джеймс Вебб та інші дослідники кидають виклик існуючим теоріям розвитку галактик, можливість вивчати еру після Великий вибух з використанням гравітаційних хвиль може бути безцінним інструментом. Джерело