Впервые удалось услышать гравитационно-волновой фон Вселенной

Астрономы впервые услышали слабый гул гравитационных волн, эхом разносящийся по всей Вселенной. В течение почти десяти лет ученые охотились за фоном гравитационных волн, слабым, но постоянным эхом гравитационных волн, которые, как считается, были вызваны событиями, которые произошли вскоре после Большого взрыва и слияния сверхмассивных черных дыр по всему космосу.

В то время как такой фон долгое время теоретизировался физиками и искался астрономами, сигналы гравитационных волн, которые составляют этот фон, было трудно обнаружить из-за того, что они были слабыми, в дополнение к вибрациям в масштабе десятилетия. Теперь многолетние наблюдения окончательно подтвердили их наличие.

В долгожданном и глобально скоординированном объявлении в среду (28 июня) группы ученых со всего мира сообщили об открытии «низкочастотного гула» этих космических волн, протекающих по Млечному Пути.

Хотя астрономы точно не знают, что вызывает гул, обнаруженный сигнал является «убедительным доказательством» и согласуется с теоретическими ожиданиями гравитационных волн, исходящих от множества пар «самых массивных черных дыр во всей Вселенной», весящих миллиарды Солнца», — сказал Стивен Тейлор, астрофизик гравитационных волн из Университета Вандербильта в Теннесси, один из руководителей исследования.

Намеки на тот же сигнал были анонсированы в серии статей, опубликованных учеными из Китая, Индии, Европы и Австралии. Они говорят, что сигналы могут исходить от слияния сверхмассивных черных дыр, которые вовлечены в космический танец, вращаясь вокруг друг друга по орбитам, которые сужаются за миллионы лет.

Во время этого процесса они высвобождают энергию в виде гравитационных волн, которые разносятся по всей Вселенной  —  волны, которые, по словам астрономов, они обнаружили. Ученые сообщают, что значение наблюдаемого фонового гула гравитационных волн с течением времени возросло, предоставляя дразнящее доказательство того, что в ближайшие несколько сотен тысяч лет могут произойти слияние сотен тысяч или даже миллионов сверхмассивных черных дыр, даже несмотря на то, что гигантские объекты себя еще не заметили.

Космические маяки как детекторы гравитационных волн

Чтобы обнаружить фон гравитационных волн, астрономы изучили быстро вращающиеся звезды, называемые миллисекундными пульсарами, которые являются мертвыми звездами, которые вращаются до 700 раз в секунду с удивительной регулярностью, испуская лучи света от своих магнитных полюсов, которые видны как «импульсы». когда они мерцают в направлении Земли.

Такие космические маяки могут помочь обнаружить гравитационные волны сверхмассивных черных дыр, которые в миллионы или миллиарды раз больше, чем наше Солнце.

Для сравнения, сеть Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) может обнаруживать только гравитационные волны, исходящие от меньших черных дыр, которые в 10 раз массивнее Солнца.

Если бы зияющее пространство между Землей и пульсарами было абсолютно пустым, то свету от мигающих космических часов требовалось бы одно и то же время, чтобы достичь Земли каждый раз, когда они пульсируют в нашем направлении.

На самом деле на время импульсов влияют такие факторы, как газ и пыль в межзвездной среде и движение пульсаров, а также Земли в Млечном Пути. Гравитационные волны также растягивают и сжимают ткань пространства-времени между нами и пульсарами, искажая их в остальном тщательно регулярные импульсы от десятков наносекунд до пяти и более лет, в результате чего световые вспышки появляются раньше или позже, чем обычно.

В новом исследовании «критическим доказательством», которое выдает, что источником сигналов являются сверхмассивные черные дыры, является уникальная закономерность, обнаруженная во временах прихода импульсов от космической антенны размером с галактику почти 70-миллисекундных пульсаров в Млечном Пути. по данным консорциума астрономов, известного как Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (НАНОГрав).

По словам ученых, сигналы гравитационных волн от двойных черных дыр накладываются «как голоса в толпе» и приводят к непрекращающемуся гулу, который встраивается в виде уникального паттерна в данные о времени пульсара. Ученые извлекли эту закономерность, наблюдая маякоподобные лучи от пар пульсаров.

Используя различные радиотелескопы, такие как ныне разрушенная обсерватория Аресибо в Пуэрто-Рико, обсерватория Грин-Бэнк в Западной Вирджинии, Очень большая решетка имени Карла Г. Янски в Нью-Мексико и Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) в Канаде, они собрали данные. о времени этих импульсов каждый месяц в течение 15 лет.

Затем они рассчитали разницу между фактическим временем прибытия импульсов и их предсказанным временем прибытия, которое они смогли оценить в пределах 1 микросекунды, что сравнимо с измерением расстояния до Луны с точностью до тысячной доли миллиметра, говорят ученые. По словам Тейлора, в этих различиях были заложены столь востребованные сигналы гравитационных волн.

Это первый случай, когда ученые нашли убедительные доказательства таких моделей несоответствия, выгравированных на фоне гравитационных волн, чье влияние на световые вспышки пульсаров было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна еще в 1916 году. «Мы чрезвычайно рады видеть, что эта модель наконец-то появилась», — сказал Тейлор.

Переступая последний порог

Ученые знают, что когда черные дыры сливаются, их гравитация взаимодействует с соседними звездами, что истощает орбитальную энергию черных дыр и подталкивает их все ближе к тому, чтобы превратиться в единую черную дыру. Простая модель предполагает, что после того, как черные дыры окажутся на расстоянии 3,2 световых года друг от друга, они сольются, излучая гравитационные волны.

Однако другие модели предполагали, что черные дыры охватывают временные масштабы дольше, чем сама Вселенная, поскольку они останавливают свое слияние, когда достигают отметки в 3,2 световых года. «В какой-то момент ученые были обеспокоены тем, что сверхмассивные черные дыры в двойных системах будут вечно вращаться вокруг друг друга, никогда не сближаясь достаточно близко друг к другу, чтобы генерировать подобный сигнал», — Люк Золтан Келли, доцент Калифорнийского университета в Беркли. входит в состав коллаборации НАНОГрав, говорится в сообщении.

Поэтому то, как эти черные дыры уменьшают свою орбиту за пределами этого расстояния и в конечном итоге сливаются, известное как «последняя проблема парсека», не очень хорошо изучено.

«Чтобы получить эти типы высоких амплитуд, которые мы наблюдаем, нам нужны довольно массивные черные дыры, и они должны формировать двойные системы довольно часто и достаточно эффективно развиваться», — сказал Келли.

Если открытие подтвердится и обнаруженные сигналы окажутся исходящими от бинарных черных дыр, «тогда они обязательно должны были так или иначе пройти последний парсек», — добавил он.