Время импульсов от мертвых звезд указывает на пульсации в пространстве длиной в световые годы.
Мертвые звезды, называемые пульсарами (на иллюстрации), испускают пучки радиоволн, которые проносятся мимо Земли, как часы. Считается, что гравитационные волны от пар сверхмассивных черных дыр (вверху слева) вызывают колебания в ткани пространства-времени и изменяют время пульсаров.
Под взрывами, столкновениями и другими периодическими ударами в космосе, как подозревают ученые, звучит безостановочный саундтрек, создаваемый пульсациями космического времени, непрерывно омывающими Вселенную. После более чем десятилетних поисков ученые, возможно, наконец-то услышали этот фоновый гул.
Несколько групп исследователей со всего мира сообщили 28 июня о первых явных свидетельствах этих гравитационных волн. В отличие от ранее обнаруженных гравитационных волн, эти новые волны имеют пульсации ошеломляющей длины - в масштабе световых лет. Их вероятный источник: бесчисленные пары гигантских черных дыр, которые перемешивают пространственно-временной котел, вращаясь друг вокруг друга.
Если эта догадка верна, то результат станет первым доказательством того, что пары сверхмассивных черных дыр, масса которых в миллиарды раз превышает массу Солнца, могут слиться в одну.
Если гравитационные волны реальны, и если они действительно являются сигналом пар сверхмассивных черных дыр, "это просто чудо", - говорит астрофизик Мэг Урри из Йельского университета. "Это чрезвычайно интересно, потому что мы практически не знаем, что делают самые массивные черные дыры".
Гравитационные волны порождаются ускоряющимися массивными объектами. Когда эти волны проносятся через Вселенную, они сминают ткань пространства-времени, на которой вышита реальность. В 2015 году ученые из усовершенствованной лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, или LIGO, впервые обнаружили гравитационные волны (SN: 2/11/16). Эти волны были порождены слиянием относительно небольших черных дыр, совершенно других чудовищ, чем сверхмассивные, которые скрываются в центрах галактик.
В то время как LIGO улавливает всплески гравитационных волн, которые могут длиться лишь доли секунды, орбитальные сверхмассивные черные дыры, как ожидается, будут излучать волны непрерывно в течение миллионов лет, создавая рябь, которая покрывает космос своим постоянным гулом. "Это совсем другое, совсем новое явление", - говорит исследователь LIGO Дэниел Хольц, астрофизик из Чикагского университета. "Это потрясающе".
Во всей Вселенной галактики регулярно смешиваются и сливаются. Ученые подозревали, что при этом их сверхмассивные черные дыры будут вращаться друг вокруг друга и излучать гравитационные волны. В многочисленных сливающихся галактиках, разбросанных по всему космосу, множество пар черных дыр одновременно исполняют этот орбитальный танец, посылая в космос свои пространственно-временные пульсации.
"Земля просто беспорядочно бьется в этом море гравитационных волн", - говорит астрофизик Маура Маклафлин из Университета Западной Вирджинии в Моргантауне и член Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн, или NANOGrav.
Обнаружить эту мешанину гравитационных волн непросто. Для решения этой задачи ученым пришлось "переделать" Млечный Путь, превратив галактику в детектор гравитационных волн, засекая по часам тиканье мертвых, вращающихся остатков взорвавшихся звезд, называемых пульсарами, которые при вращении испускают лучи радиоволн. Эти лучи проносятся мимо Земли через регулярные промежутки времени, подобно точному тиканью часов. Гравитационные волны, растягивающие и сжимающие пространство между пульсарами и Землей, приводят к тому, что тиканье пульсаров, наблюдаемое с помощью различных радиотелескопов по всему миру, приходит то раньше, то позже.
Чтобы убедиться, что они видят именно гравитационные волны, а не неинтересные флуктуации, исследователи искали особый тип корреляции между различными пульсарами. Пульсары, расположенные рядом друг с другом на небе, должны показывать схожие временные сдвиги, но те, которые находятся под прямым углом друг к другу, должны наблюдать противоположные сдвиги: У одного пульсара всплески приходят раньше, а у другого - позже.
Этот убедительный признак наконец-то был обнаружен, сообщили исследователи NANOGrav 28 июня в Astrophysical Journal Letters. "В природе нет ничего, что могло бы имитировать это", - говорит Кьяра Мингарелли, астрофизик из Йельского университета и исследователь NANOGrav. "Только гравитационные волны могут сделать это". Их результат был основан на 15-летнем наблюдении за десятками пульсаров.
"Это действительно бодрящий материал", - говорит астрофизик Майкл Кит из Манчестерского университета в Англии, участник проекта European Pulsar Timing Array, или EPTA.
Команда EPTA провела еще более длительное время, наблюдая за пульсарами - четверть века. "Мы уже подходили к тому моменту, когда начали думать, что, возможно, сигнал настолько слаб, что мы никогда его не найдем", - говорит Кит. Но заметная корреляция между пульсарами была очевидна и в результатах EPTA, которые были опубликованы 28 июня в журнале Astronomy and Astrophysics совместно с исследователями из Indian Pulsar Timing Array.
Некоторые ученые считали, что сверхмассивные черные дыры в сливающихся галактиках никогда не сблизятся настолько, чтобы слиться друг с другом или излучать гравитационные волны, подобные наблюдаемым. "На самом деле это было больным местом для нашей области в течение многих лет, - говорит Мингарелли.
Напротив, сигнал гравитационных волн кажется сильнее, чем ожидалось (SN: 6/3/23). Это говорит о том, что "существует много черных дыр, они счастливо сливаются, и черные дыры также очень счастливо растут [до больших масс]", - говорит астрофизик Марта Волонтери из Парижского института астрофизики, которая не принимала участия в новом исследовании.
По словам астронома Райана Шеннона из Технологического университета Суинберна в Мельбурне (Австралия), будущая работа может раскрыть больше информации о сверхмассивных черных дырах и их окружении.
"Лучшее понимание демографических характеристик этих сверхмассивных черных дыр поможет нам понять, как формируются и эволюционируют галактики", - говорит Шеннон, научный сотрудник австралийского центра Parkes Pulsar Timing Array, который также сообщил о независимых результатах в Astrophysical Journal Letters и Publications of the Astronomical Society of Australia. Более краткосрочная работа, проведенная китайской системой синхронизации пульсаров, представила свои результаты в журнале Research in Astronomy and Astrophysics.
Команды остановились на том, чтобы не заявлять о безоговорочном обнаружении фона гравитационных волн, а представили свои результаты как убедительное доказательство наличия пульсаций. Взятые по отдельности, их результаты не вполне соответствуют самым строгим стандартам статистической значимости, установленным физиками. В дальнейшей работе команды планируют объединить свои данные в надежде на дальнейшее подтверждение факта обнаружения.
И хотя сверхмассивные черные дыры являются самым простым объяснением происхождения волн, исследователи все еще не могут исключить более экзотическое происхождение. Например, пульсации могли возникнуть в результате инфляции - периода сразу после Большого взрыва, когда Вселенная, как считается, расширялась невероятно быстро (SN: 7/13/12).
Каким бы ни был источник, будущее изучение этих гравитационных волн обязательно будет иметь эффект пульсации.
70.2к
