Почему ученые так взволнованы

29 июня четыре отдельные группы ученых сделали заявление.^1—4 Что обещает произвести революцию в астрофизике: они увидели сильные намеки на очень длинные гравитационные волны, искажающие галактику.

Гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени, возникающая при ускорении больших масс. Впервые они были обнаружены в 2015 году, но самые последние данные указывают на «чудовищную» рябь с длиной волны 0,3 парсека (световых года) или более; Обнаруженные до сих пор волны имеют длину волны от десятков до сотен километров.

здесь природа Он сообщает, что эти чудовищные гравитационные волны могли означать для нашего понимания Вселенной и как поле могло развиваться.

Чем недавно объявленные гравитационные волны отличаются от тех, которые астрономы уже обнаружили?

Гравитационные волны были впервые обнаружены двумя детекторами-близнецами Лазерной гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в штатах Луизиана и Вашингтон. Они чувствовали рябь, создаваемую двумя черными дырами, которые скручивались друг в друга и сливались. LIGO и ее аналог Virgo в Европе с тех пор сообщили о десятках подобных событий.

Для последних результатов авторы полагались на специальные звезды-маяки, называемые миллисекундными пульсарами. Команды более десяти лет отслеживали изменения расстояний между Землей и миллисекундными пульсарами в Млечном Пути и сравнивали сигналы от десятков звезд-маяков. Временные массивы Pulsar (PTA) чувствительны к волнам размером 0,3 парсека и более.

И в то время как LIGO и Virgo обнаруживают свидетельства заключительных стадий отдельных событий слияния — равномерно распределенные волны, исходящие из одного определенного направления в небе — четыре коллаборации PTA до сих пор обнаруживали только «случайный фон», постоянную борьбу в случайных направлениях. . Это похоже на случайное течение воды на поверхности пруда из-за дождя.

Каково происхождение волн?

«Наиболее вероятное объяснение случайного фона, наблюдаемого PTA, заключается в том, что они вызваны множеством пар сверхмассивных черных дыр, вращающихся вокруг друг друга в сердцах далеких галактик», — говорит Сара Берк-Споллор, астрофизик из Университета Западной Вирджинии в Моргантауне.

Считается, что в большинстве галактик есть такая чудовищная черная дыра, масса которой в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца. А астрономы знают, что на протяжении всей истории Вселенной сливалось множество галактик. Итак, некоторые галактики должны были оказаться с двумя сверхмассивными черными дырами, известными как двойные черные дыры.

Впервые обнаружены чудовищные гравитационные волны

Исследователи также подсчитали, что в переполненном центре такого галактического слияния каждая черная дыра передавать часть своего импульса к окружающим звездам, выбрасывая их на высокой скорости или просто перетаскивая. В результате две черные дыры в конечном итоге замедлятся и в конечном итоге будут вращаться вокруг друг друга на расстоянии около 1 парсека, объясняет Кьяра Мингарелли, астрофизик гравитационных волн из Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут.

Однако парные черные дыры, которые находятся намного ближе друг к другу, чем 1 парсек, будут вносить свой вклад в сигнал PTA. «Они должны быть разделены миллифарсеком, чтобы излучать обнаруживаемые гравитационные волны», — говорит Мингарелли. Однако теории, объясняющие, как это произошло, являются спекулятивными, и вопрос о том, могут ли бинарные файлы делать это, оставался открытым, известным как предельная проблема парсека. «Если вы не решите последнюю проблему парсека, вы не получите никаких гравитационных волн», — говорит Мингарелли.

Теперь ученые будут стремиться подтвердить, что сигнал PTA действительно исходит от сверхмассивных черных дыр. Если это подтвердится, это будет свидетельством того, что в природе сверхмассивные черные дыры могут сближаться очень близко друг к другу.

Этот результат будет иметь фундаментальное значение, говорит Моника Колби, астрофизик из Университета Милана-Бикокка в Италии, поскольку он показывает, что тысячи двойных черных дыр по всей Вселенной каким-то образом «решили» последнюю проблему парсека. «Было бы открытием, что такая популяция существует».

Что означает такая бинарная черная дыра для LISA, планируемого европейского космического детектора?

Пары сверхмассивных черных дыр, которые подходят достаточно близко, чтобы излучать гравитационные волны, в конечном итоге столкнутся и сольются. Это потому, что сами гравитационные волны уносят энергию и импульс от черных дыр, превращая их орбиты в спирали. Через сотни или десятки тысяч лет пары столкнутся.

Как гравитационные волны могут раскрыть некоторые из самых глубоких тайн Вселенной

Колби говорит, что это может быть хорошей новостью для космической антенны лазерного интерферометра (LISA), трех зондов, которые Европейское космическое агентство планирует запустить в середине 2030-х годов.

По мере того как черные дыры вращаются внутрь, частоты гравитационных волн увеличиваются, в некоторых случаях попадая в спектр чувствительности LISA. LISA будет чувствительна к длинам волн от 3 миллионов до 3 миллиардов километров — короче, чем длины волн, которые могут быть обнаружены PTA, но все же намного длиннее, чем те, которые обнаруживаются наземными детекторами. Таким образом, LISA смогла увидеть многие из этих слияний во время своей миссии.

Слияния черных дыр также могут помочь объяснить, почему некоторые черные дыры стали такими большими: они сами являются результатом более ранних слияний.

Может ли что-то другое, кроме бинарных черных дыр, создавать случайный фон?

Существует множество странных физических теорий, которые предсказывают подобный разнонаправленный фон для волн, идущих со всех направлений в пространстве. Эти источники могут составлять часть или даже большую часть сигнала. Возможности включают определенные типы темной материи и даже космические струны, гипотетические бесконечно малые дефекты кривизны пространства-времени. Космические струны могут вызывать перегибы, которые в конечном итоге могут порваться, создавая гравитационные волны.

По словам Бёрк-Споллора, одно из самых захватывающих альтернативных объяснений — фон космических гравитационных волн, возникший в ранней Вселенной. Телескопы, которые видят во всем электромагнитном спектре — от радиоволн до гамма-лучей — ограничены в том, как далеко они могут заглянуть, и, следовательно, в том, как далеко они могут заглянуть в прошлое. Это потому, что задолго до того, как появились галактики и звезды, непрозрачный ионизированный газ заполнил Вселенную. Это затемняет представление астрономов о том, что происходило во Вселенной в течение первых 400 000 лет или около того.

Но гравитационные волны могут проходить через любую среду. В результате любые такие волны, возникшие в первый момент после Большого взрыва, все еще могут присутствовать и обнаруживаться как часть случайного фона, открывая окно в экстремальную физику Большого взрыва. «Это удивительно для меня, — говорит Берк Споллор. «Кто знает, что там внутри».