Астрономы впервые «слышат» небесный хор гравитационных волн

Художественная визуализация гравитационных волн от пары близких по орбите черных дыр (видны слева вдалеке). Волны проходят мимо нескольких пульсаров и Земли (справа).

Астрономы впервые смогли «услышать» небесный гул мощных гравитационных волн, созданных столкновениями черных дыр, эхом разносящихся по Вселенной.

Их наблюдения показывают, что волны, в том числе те, которые медленно изменяются при прохождении через нашу галактику Млечный Путь, возникают с разной частотой и колеблются десятилетиями.

Открытие может помочь ученым лучше понять космические явления, такие как сверхмассивные черные дыры, и то, как часто сливаются галактики.

Гравитационные волны, первоначально предсказанные Альбертом Эйнштейном в 1916 году, представляют собой рябь в пространстве-времени, впервые обнаруженную в 2015 году.

Астрономы обнаружили волны, отслеживая пульсары или плотные остатки ядер, принадлежащих массивным звездам после того, как они взорвались сверхновой через Млечный Путь. Пульсары похожи на звездные маяки, быстро вращающиеся и испускающие лучи радиоволн, которые кажутся «пульсирующими», если смотреть в наземные телескопы. Пульсары могут вращаться сотни раз в секунду, а стабильная точность импульсов делает их такими же надежными, как космические часы.

Когда гравитационные волны проходят между Землей и пульсаром, синхронизация радиоволн пульсара нарушается. Эйнштейн предположил, что гравитационные волны будут растягивать и сжимать пространство по мере их перемещения по Вселенной, влияя на распространение радиоволн. Это означает, что некоторые импульсы достигают Земли на долю секунды раньше или позже, чем ожидалось.

Более 190 ученых намеревались обнаружить частоты гравитационных волн в рамках сотрудничества Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн, также известной как NANOGrav.

Они отслеживали радиоволны от более чем 60 пульсаров в течение 15 лет с помощью трех больших радиотелескопов: обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико (которая больше не работает), телескопа Грин-Бэнк в Западной Вирджинии и Очень большого массива в Нью-Мексико.

Их результаты появляются в исследовании, опубликованном в среду в The Astrophysical Journal Letters.

В поисках небесного хора

Недавно обнаруженные гравитационные волны являются самыми мощными из когда-либо измеренных. Вероятно, они были вызваны столкновениями сверхмассивных черных дыр и несут примерно в миллион раз больше энергии, чем сингулярные события, обнаруженные в последние годы в результате слияний черных дыр или нейтронных звезд.

«Это похоже на хор со всеми этими парами сверхмассивных черных дыр, играющими на разных частотах», — сказала в своем заявлении соавтор исследования и ученый NANOGrav Кьяра Мингарелли, доцент кафедры физики Йельского университета. «Это первое в истории свидетельство существования гравитационно-волнового фона. Мы открыли новое окно наблюдения за Вселенной».

Фон гравитационных волн, своего рода космический шум, который долгое время предполагался, но никогда не обнаруживался, состоит из сверхнизкочастотных гравитационных волн. Когда черные дыры сталкиваются во Вселенной, все эти волны гудят и резонируют вместе на заднем плане.

Гравитационные волны распространяются со скоростью света, но астрономы поняли, что один подъем и спад одной из волн могут занять годы или десятилетия из-за эффекта пространственно-временной ряби.

На иллюстрации художника изображены пульсары, на которые воздействует гравитационная рябь, вызванная слиянием сверхмассивных черных дыр в далекой галактике.

«Мы используем детектор гравитационных волн размером с галактику, сделанный из экзотических звезд (пульсаров), что просто поражает меня», — сказал соавтор исследования доктор Скотт Рэнсом, штатный астроном Национальной радиоастрономической обсерватории. Заявление.

«Наши более ранние данные говорили нам, что мы что-то слышали, но не знали что. Теперь мы знаем, что это музыка, исходящая из гравитационной вселенной. Продолжая слушать, мы, вероятно, сможем различать ноты инструментов, играющих в этом космическом оркестре», — сказал Рэнсом.

«Объединение этих результатов гравитационных волн с исследованиями структуры и эволюции галактик произведет революцию в нашем понимании истории нашей Вселенной».

Катастрофические столкновения

Ученые считают, что сверхмассивные черные дыры в значительной степени ответственны за создание фона гравитационных волн. Сверхмассивные черные дыры существуют в центрах большинства крупных галактик. Но по мере того, как галактики сливаются, в конце концов их черные дыры начинают вращаться вокруг друг друга.

Эти массивные объекты, масса которых в миллиарды раз превышает массу нашего Солнца, танцуют, пока не столкнутся. Когда это происходит, рябь распространяется от галактики-хозяина и в конечном итоге достигает нашей.

По оценкам, во Вселенной существуют сотни тысяч или, возможно, миллионы пар сверхмассивных черных дыр.

«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», — сказал соавтор исследования доктор Люк Келли, доцент астрономии в Университете Нью-Йорка. Калифорния, Беркли, и председатель группы астрофизиков НАНОграв.

«Но теперь у нас наконец есть веские доказательства того, что многие из этих чрезвычайно массивных и тесных двойных систем действительно существуют», — сказал Келли. «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 за несколько миллионов лет».

Но исследователи признают, что не исключено, что существует несколько источников фона гравитационных волн, так же как существуют альтернативные объяснения того, как возникла Вселенная. Команда продолжит изучение фона гравитационных волн и попытается изолировать отдельные источники, чтобы определить их происхождение.

«Фон гравитационных волн примерно в два раза громче, чем я ожидал», — сказал Мингарелли. «Это действительно предел того, что наши модели могут создать из сверхмассивных черных дыр. Что дальше, все. Это только начало."

Кроме того, ученые, использующие телескопы в Европе, Индии, Китае и Австралии, сообщили об аналогичных выводах, опубликованных в среду. По словам исследователей, объединение данных НАНОграв с международными сотрудниками может дать более широкую картину фона гравитационных волн.

«Наши объединенные данные будут намного более мощными», — заявил соавтор исследования Стивен Тейлор, доцент кафедры физики и астрономии Университета Вандербильта, который в настоящее время возглавляет коллаборацию NANOGrav. «Мы рады узнать, какие секреты они откроют о нашей вселенной».