Детектор гравитационных волн размером с галактику обнаружил «горячую точку» активности

Используя самый большой из когда-либо созданных детекторов гравитационных волн, мы подтвердили более ранние сообщения о том, что ткань Вселенной постоянно вибрирует. Этот фоновый грохот, скорее всего, вызван столкновениями огромных черных дыр, находящихся в сердцах галактик.

Результаты нашего детектора – массива быстро вращающихся нейтронных звезд, разбросанных по галактике – показывают, что этот «фон гравитационных волн» может быть более громким, чем считалось ранее. Мы также составили самые подробные карты гравитационных волн по небу и обнаружили интригующую «горячую точку» активности в Южном полушарии.

Наше исследование опубликовано сегодня в трех статьях в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.

Рябь в пространстве и времени

Гравитационные волны — это пульсация ткани пространства и времени. Они создаются, когда невероятно плотные и массивные объекты вращаются по орбите или сталкиваются друг с другом.

Самые плотные и самые массивные объекты во Вселенной — чёрные дыры, остатки мёртвых звёзд. Один из единственных способов изучения черных дыр — это поиск гравитационных волн, которые они излучают, когда движутся рядом друг с другом.

Высокочастотные гравитационные волны, возникающие в результате столкновений между относительно небольшими черными дырами, можно обнаружить с помощью наземных детекторов, и впервые они были обнаружены в 2015 году. Однако есть доказательства существования более медленных, более мощных волн не было найдено до прошлого года.

Несколько групп астрономов по всему миру собрали детекторы гравитационных волн галактического масштаба с помощью внимательно наблюдая за поведением групп звезд определенного типа. Наш эксперимент, MeerKAT Pulsar Timing Array, является крупнейшим из этих детекторов галактического масштаба.

Сегодня мы объявили о новых доказательствах существования низкочастотных гравитационных волн, но с некоторыми интригующими отличиями от более ранних результатов. Всего за треть времени других экспериментов мы обнаружили сигнал, который намекает на более активную Вселенную, чем ожидалось.

Мы также смогли составить карту космической архитектуры, оставшейся после слияния галактик, более точно, чем когда-либо прежде.

Черные дыры, галактики и пульсары

По мнению ученых, в центре большинства галактик живет гигантский объект, известный как сверхмассивная черная дыра. Несмотря на свою огромную массу – в миллиарды раз превышающую массу нашего Солнца – этих космических гигантов трудно изучать.

Астрономы знали о сверхмассивных черных дырах на протяжении десятилетий, но впервые непосредственно наблюдали одну только в 2019 году.

Когда две галактики сливаются, черные дыры в их центрах начинают вращаться навстречу друг другу. При этом они излучают медленные, мощные гравитационные волны, которые дают нам возможность их изучать.

Мы сделать это, используя другую группу экзотических космических объектов: пульсары. Это чрезвычайно плотные звезды, состоящие в основном из нейтронов, которые могут быть размером с город, но в два раза тяжелее Солнца.

Пульсары вращаются сотни раз в секунду. Вращаясь, они действуют как маяки, поражая Землю импульсами радиации с расстояния в тысячи световых лет. Для некоторых пульсаров мы можем предсказать, когда этот импульс должен поразить нас, с точностью до наносекунд.

Наши детекторы гравитационных волн воспользуйтесь этим фактом. Если мы наблюдаем множество пульсаров за один и тот же период времени и ошибаемся относительно того, когда импульсы поражают нас определенным образом, мы знаем, что гравитационная волна растягивает или сжимает пространство между Землей и пульсарами.

Однако вместо того, чтобы увидеть только одну волну, мы ожидаем увидеть космический океан, полный волн пересекающиеся во всех направлениях – эхо всех галактических слияний в истории Вселенной. Мы называем это фоном гравитационной волны.

Удивительно громкий сигнал – и интригующая «горячая точка»

Для обнаружения фона гравитационных волн мы использовали радиотелескоп MeerKAT в Южной Африке. MeerKAT — один из самых чувствительных радиотелескопов в мире.

В составе MeerKAT Pulsar Timing Array , он наблюдает за группой из 83 пульсаров уже около пяти лет, точно определяя, когда их импульсы достигают Земли. Это привело нас к обнаружению закономерности, связанной с фоном гравитационных волн, только она немного отличается от того, что обнаружили другие эксперименты.

Это может означать, что существует больше сверхмассивных черных дыр, вращающихся вокруг друг друга, чем мы думали. Если это так, то это вызывает больше вопросов – потому что наши существующие теории предполагают, что сверхмассивных черных дыр должно быть меньше, чем мы видим.

Размер нашего детектора и чувствительность телескопа MeerKAT позволяют нам оценивать фон с чрезвычайной точностью. Это позволило нам создать самые подробные на сегодняшний день карты фона гравитационных волн. Подобный способ картирования фона необходим для понимания космической архитектуры нашей Вселенной.

Это может даже привести нас к конечному источнику сигналов гравитационных волн, которые мы наблюдаем. Хотя мы считаем, что причина этого, скорее всего, возникает в результате взаимодействия этих колоссальных черных дыр, она также может быть связана с изменениями в ранней энергичной Вселенной после Большого взрыва или, возможно, даже с более экзотическими событиями.

Карты, которые мы создали, показывают интригующую горячую точку активности гравитационных волн в небе Южного полушария. Такая неравномерность поддерживает идею о том, что фон создан сверхмассивными черными дырами, а не другие альтернативы.

Однако , создание детектора галактических размеров невероятно сложно, и пока слишком рано говорить, является ли это реальностью или статистической аномалией.

Чтобы подтвердить наши выводы, мы работаем над объединением наших новых данных с результатами других международное сотрудничество под лозунгом Международного массива синхронизации пульсаров.

Мэтью Майлз, постдокторант в области астрофизики, Технологический университет Суинберна, и Ровина Натан, астрофизик, Университет Монаша >

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.