Космология

Пульсары – естественные детекторы гравитационных волн

Отправлено: Ноябрь 17, 2017 в 21:31

Категория: «Переводы»

Одним из самых впечатляющих достижений физики в этом столетии стало обнаружение гравитационных волн, ряби в ткани пространства-времени, которая возникает в результате движения массивных объектов. На данный момент мы имеем пять случаев обнаружения гравитационных волн благодаря лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и новому европейскому детектору Virgo. Используя данные интерферометры, ученые смогли зафиксировать чрезвычайно тонкие (высокочастотные) сигналы от столкновения относительно небольших черных дыр, а также от слияния нейтронных звезд.

Но есть и более крупные сливающиеся объекты, гравитационно-волновые сигналы от которых еще не были обнаружены: сверхмассивные черные дыры, более чем в 100 миллионов раз превосходящие по массе наше Солнце. Такие черные дыры лежат в центре большинства крупных галактик. Когда галактики сталкиваются, расположенные в их центре черные дыры начинают сближаться по спирали, порождая гравитационные волны. Подобно тому как отличается глубина львиного рыка от писка маленькой мышки, отличается и частота излучаемых гравитационных волн от объектов, критически разнящихся по массе. Интерферометры, расположенные на Земле, такие как LIGO, не способны обнаружить волны, исходящие от столь массивных черных дыр.

Столкновение двух черных дыр
Эта компьютерная симуляция показывает столкновение двух черных дыр и порождаемые ими гравитационные волны (кликабельно).
Simulating eXtreme Spacetimes

«Обнаружить низкочастотные гравитационные волны было бы сродни тому, чтобы услышать бас, если до этого слышал только сопрано», – сказал Джозеф Лацио (Joseph Lazio), главный научный сотрудник «Сети дальней космической связи» NASA и соавтор нового исследования в журнале Nature Astronomy.

Чтобы ступить на это неизведанное для науки поле, исследователи обратили свой взор не на машины, созданные человеком, а на массивы пульсаров – высокоточные инструменты, созданные самой природой. Пульсары – это сверхплотные остатки «мертвых» звезд, которые через короткие равные промежутки времени испускают радиоволны, поэтому их иногда называют «космическими маяками». Поскольку частота пульсации радиоизлучения от подобных объектов чрезвычайно точна, большие группы хорошо изученных пульсаров можно использовать для обнаружения мельчайших аномалий, таких как гравитационные волны. Североамериканская обсерватория NANOGrav (Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) – одна из ведущих групп исследователей, использующих пульсары для поиска гравитационных волн.

Новое исследование, опубликованное в Nature Astronomy, касается бинарных сверхмассивных черных дыр – систем из двух космических монстров. Сначала ученые исследовали близлежащую область вселенной в поиске галактик, которые предположительно имеют внутри себя подобные системы. Далее была проведена оценка найденных черных дыр на вероятность того, что они все еще находятся в процессе слияния и представляют интерес для наблюдения. Также ученые дали оценку времени, в течение которого потенциально может состоятся регистрация подобного события, отталкиваясь от динамики расширения наблюдений и улучшения точности измерений.

«Постоянно расширяя массив наблюдаемых нами пульсаров в течение следующих 10 лет или около того, мы получим хороший шанс на обнаружение гравитационных волн, по крайней мере, от одной бинарной системы сверхмассивных черных дыр», – сказал Чиара Мингарелли (Chiara Mingarelli), ведущий автор исследования, научный сотрудник Калтеха и JPL.

Входные данные и выводы

Мингарелли и его коллеги использовали данные исследования 2MASS (обзор всего неба на длине волны два микрона), которое проводилось с 1997 по 2001 год, а также результаты симуляции проекта Illustris, занимавшегося крупномасштабным космологическим моделированием. В своей выборке из 5 000 галактик ученые обнаружили примерно 90 таких, в которых, по всей видимости, происходит слияние сверхмассивных черных дыр.

Тогда как LIGO и Virgo обнаруживают объекты в последние секунды перед слиянием, массивы пульсаров чувствительны к гравитационным волнам от сверхмассивных черных дыр, которые находятся в процессе сближения друг с другом и не коллапсируют еще миллионы лет. Процесс объединения галактик может длиться уже сотни миллионов лет, перед тем как сольются их центральные черные дыры, что дает достаточно большое временное окно, потенциально интересное для наблюдения.

Исследователи также обнаружили, что, хотя большие галактики содержат более массивные черные дыры и являются более сильными источниками гравитационных волны, их слияние протекает быстрее, что сокращает временной промежуток для потенциального детектирования. Например, черные дыры, сближающиеся в галактике M87, будут иметь окно обнаружения в 4 миллиона лет. Тогда как в небольшой галактике Sombrero, процесс слияния займет примерно 160 миллионов лет, что дает больше возможностей для обнаружения гравитационных дыр при помощи массивов пульсаров.

Слияние черных дыр порождает гравитационные волны, поскольку они вращаются друг вокруг друга и их гравитация искажает ткань пространства-времени, посылая рябь во всех направлениях со скоростью света. Эти искажения незначительно смещают положение Земли и пульсаров, что приводит к возникновению характерных аномалий, которые можно обнаружить в процессе наблюдения большой группы небесных маяков.

«Разница между тем, когда должны поступить сигналы пульсара, и тем, когда они фактически поступят, может сигнализировать о гравитационной волне», – сказал Мингарелли. «И поскольку пульсары, которые мы изучаем, находятся на расстоянии около 3 000 световых лет, они действуют как детектор гравитационных волн галактического масштаба».

Поскольку все сверхмассивные черные дыры очень далеки от нас, а гравитационные волны движутся со скоростью света, пройдет немало времени, прежде чем они достигнут Земли. В этом исследовании рассмотрены сливающиеся галактики в радиусе около 700 миллионов световых лет, в которых процесс объединения сверхмассивных черных дыр может длиться достаточно долго, чтобы мы могли обнаружить порожденные им гравитационные волны. Для сравнения масштабов времени: около 650 миллионов лет назад в земных океанах появились красные и зеленые водоросли, губки, инфузории и амебы – важный этап эволюции.

Все еще остается много открытых вопросов относительно процесса слияния галактик и того, что произойдет, когда Млечный Путь столкнется галактикой Андромеды примерно через 4 миллиарда лет.

«Обнаружение гравитационных волн от слияния черных дыр в миллиард солнечных масс поможет разгадать несколько самых серьезных головоломок, касающихся образования галактик», – сказал Леонидас Мустакас (Leonidas Moustakas), научный сотрудник NASA JPL, автор сопроводительной статьи к данному исследованию.

Оригинал статьи: Listening for Gravitational Waves Using Pulsars
Все права принадлежат NASA JPL.