Когда черным дырам нужно место для слияния, они предпочитают яркие квазары.
Так считает Кьяра Мингарелли, ассистент-профессор физики на факультете искусств и наук Йельского университета и один из ключевых членов международной исследовательской группы, изучающей фундаментальные вопросы о структурных основах Вселенной. В последнем исследовании Мингарелли центральное место занимают квазары — самые яркие объекты в космосе, чью энергию питает газ, падающий на сверхмассивные черные дыры.
Два года назад Мингарелли и Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) произвели фурор в научном сообществе, представив первые прямые доказательства существования «фона» гравитационных волн во Вселенной. Открытие позволило предположить, что гравитационные волны, вызываемые медленно сливающимися парами сверхмассивных черных дыр, могут быть обнаружены с Земли в виде фонового низкочастотного сигнала.
NANOGrav основывал свои методы обнаружения на пульсарах — сколлапсировавших ядрах взорвавшихся массивных звезд. Пульсары, быстро вращаясь, излучают радиосигналы со строго определенной периодичностью.
В новом исследовании, опубликованном в журнале The Astrophysical Journal, Мингарелли и ее коллеги использовали пульсары, чтобы показать, что слияния черных дыр происходят в пять раз чаще в галактиках, где есть квазар.
Мингарелли рассказала Yale News о новом открытии, его связи с гравитационными волнами и о дальнейших планах. Беседа была отредактирована и сокращена.
В чем значимость возможности идентифицировать и каталогизировать гравитационно-волновой фон? Какую пользу это принесет обществу?
Прямо сейчас мы объединяем традиционную астрономию, которая изучает Вселенную с помощью радиоволн, рентгеновских лучей, оптического излучения и так далее, с гравитационно-волновой астрономией. Это как если бы мы обнаружили, что у нас есть уши, и теперь можем не только видеть Вселенную, но и слышать ее. Гравитационные волны идут прямо от источника — сливающихся двойных сверхмассивных черных дыр — и на своем пути к Земле не подвергаются влиянию газа и пыли. Это делает их исключительно «чистыми» зондами для изучения экстремальной физики, недоступной никакими другими способами.
Очень волнительно думать о том, какую пользу эта работа в конечном итоге принесет обществу. Общая теория относительности Эйнштейна примерно 100 лет спустя дала нам GPS [спутники глобального позиционирования], а лазеры, МРТ и Wi-Fi — всё это появилось благодаря ученым, которые задавали вопрос «почему?», еще до того, как кто-либо знал «зачем?». К тому же, представьте, если бы 100 лет назад вы рассказали людям о GPS — смогли бы они вообще понять, о чем речь? Мне не терпится увидеть, какими будут практические применения этой работы.
Как ваше новое исследование вписывается в общую работу NANOGrav?
Мы считаем, что существует гравитационно-волновой фон, состоящий из сигналов от миллионов медленно сливающихся пар сверхмассивных черных дыр. В 2023 году мы нашли доказательства этого, и следующий важный шаг — обнаружение отдельных пар черных дыр.
В этой статье мы прогнозируем, что квазары с вероятностью до пяти раз большей, чем любой другой тип галактик, могут содержать такие пары черных дыр. Мы приходим к выводу, что квазары должны стать целями номер один для поиска пар сливающихся сверхмассивных черных дыр.
Более того, моя команда, состоящая из аспирантов и студентов Йельского университета, и я в настоящее время используем результаты этой статьи для определения галактик-кандидатов, в которых находятся двойные сверхмассивные черные дыры. Статья с этими результатами, вероятно, выйдет к концу лета.
Какие еще аспекты текущего исследования выделяются?
Это первое исследование, в котором была проведена статистическая оценка популяции двойных сверхмассивных черных дыр путем объединения измерений гравитационно-волнового фона с данными о переменности квазаров. Это представляет собой новый подход к характеристике популяции двойных систем.
В случае подтверждения, даже небольшая популяция двойных квазаров сможет послужить основой для нашей модели источников гравитационных волн на низких частотах и проложить путь к их прямому обнаружению.
Ваш подход основывается на использовании массивов пульсарного тайминга. Что делает пульсары таким удобным инструментом для обнаружения слияний черных дыр?
Массивы пульсарного тайминга отслеживают сверхстабильные звезды, называемые пульсарами, которые излучают сигналы, по сути являющиеся превосходными часами.
Гравитационные волны растягивают и сжимают саму ткань пространства-времени. Когда пространство-время сжимается, импульсы от пульсаров приходят раньше. Когда пространство-время растягивается, импульсы приходят позже. Общее растяжение и сжатие составляет примерно 1 часть на миллион миллиардов (квадриллион) — или размер вируса, деленный на диаметр Земли. Очень мало!
Тот факт, что мы можем отслеживать эти пульсары на протяжении от нескольких лет до десятилетий с удивительной точностью — в пределах 100 наносекунд — означает, что мы можем обнаруживать гравитационные волны с периодами от нескольких лет до десятилетий. Это делает пульсарные массивы идеальными инструментами для обнаружения гравитационных волн от сверхмассивных черных дыр, поскольку те создают гравитационные волны с именно такими длинными периодами.
Но без списка конкретных целей мы не можем локализовать пару сливающихся сверхмассивных черных дыр с точностью выше, чем область погрешности, в которой могут находиться тысячи галактик.
Что, помимо установления существования гравитационно-волнового фона, мы можем узнать из нового исследования?
Определение демографии двойных сверхмассивных черных дыр играет центральную роль в нашем понимании эволюции галактик, роста черных дыр, а также самого гравитационно-волнового фона. Эта работа предлагает основанную на данных методику для определения родительских галактик, в которых находятся пары сверхмассивных черных дыр, и закладывает основу для будущих поисков.
Читайте также: Вселенная — чёрная дыра: новая модель предполагает, что Большой взрыв не был началом всего сущего
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.