Ученые предполагают, что гул Вселенной обусловлен слиянием черных дыр

Вы, возможно, не слышали, но вселенная буквально гудит от гравитационного излучения — очень низкочастотного гула, который ритмично растягивает и сжимает пространство-время и заключенную в нем материю.

К такому выводу пришли несколько групп исследователей со всего мира, одновременно опубликовавших в июне ряд журнальных статей о более чем 15-летних наблюдениях миллисекундных пульсаров в нашем уголке галактики Млечный Путь. По крайней мере, одна группа — Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) — нашла убедительные доказательства того, что на точные ритмы пульсаров влияет растяжение и сжатие пространства под действием длинноволновых гравитационных волн.

Это ключевое доказательство существования гравитационных волн на очень низких частотах, — говорит Стивен Тейлор из Университета Вандербильта, который был одним из руководителей поиска и в настоящее время является председателем коллаборации.

После многих лет работы NANOGrav открывает совершенно новое окно во Вселенную гравитационных волн.

Гравитационные волны были впервые обнаружены Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2015 году. Коротковолновые флуктуации в пространстве были вызваны слиянием небольших черных дыр, а иногда и нейтронных звезд, масса которых не превышает нескольких сотен масс Солнца.

Теперь встает вопрос: являются ли длинноволновые гравитационные волны с периодами от нескольких лет до десятилетий также порожденными черными дырами?

В одной из работ консорциума NANOGrav, опубликованной 1 августа в журнале The Astrophysical Journal Letters (ApJ Letters), физик Люк Золтан Келли из Калифорнийского университета в Беркли и команда NANOGrav утверждают, что гул, скорее всего, порождается сотнями тысяч пар сверхмассивных черных дыр — каждая из которых имеет массу в миллиарды раз больше массы нашего Солнца — которые за всю историю Вселенной подошли друг к другу достаточно близко, чтобы слиться. Команда создала симуляцию бинарных популяций сверхмассивных черных дыр, содержащую миллиарды источников, и сравнила предсказанные сигнатуры гравитационных волн с последними наблюдениями NANOGrav.

Орбитальный танец черных дыр перед слиянием вибрирует пространство, подобно тому, как вальсирующие танцоры ритмично вибрируют на танцполе. Такие слияния за 13,8 млрд. лет существования Вселенной породили гравитационные волны, которые сегодня накладываются друг на друга, подобно ряби от горсти камешков, брошенных в пруд, и создают фоновый гул. Поскольку длина волн этих гравитационных волн измеряется световыми годами, для их обнаружения потребовалась антенна размером с галактику — коллекция миллисекундных пульсаров.

Я полагаю, что мы все еще не уверены на 100%, что они порождаются сверхмассивными двойными черными дырами. Это, безусловно, наше лучшее предположение, и оно полностью согласуется с полученными данными, но мы не уверены, — полагает Келли, доцент кафедры астрономии Калифорнийского университета в Беркли.

Если это бинары, то мы впервые подтверждаем существование бинаров сверхмассивных черных дыр, что уже более 50 лет является огромной загадкой.

«Сигнал, который мы наблюдаем, исходит от космологической популяции в пространстве и во времени, в 3D. Совокупность многих и многих таких двойных дыр дает нам этот фон», — отмечает астрофизик Чунг-Пей Ма, профессор физических наук Джуди Чандлер Вебб на факультетах астрономии и физики Калифорнийского университета в Беркли и один из участников коллаборации NANOGrav.

Ма отметил, что хотя астрономы выявили ряд возможных сверхмассивных двойников черных дыр с помощью радио-, оптических и рентгеновских наблюдений, они могут использовать гравитационные волны в качестве новой сирены, которая подскажет им, где на небе искать электромагнитные волны и проводить детальные исследования двойников черных дыр.

Ма руководит проектом по изучению 100 ближайших к Земле сверхмассивных черных дыр и очень хочет найти свидетельства активности вокруг одной из них, позволяющие предположить наличие бинарной пары, чтобы NANOGrav мог настроить синхронизацию пульсаров для зондирования этого участка неба на предмет гравитационных волн. Сверхмассивные двойные черные дыры, вероятно, излучают гравитационные волны в течение нескольких миллионов лет до своего слияния.

Другими возможными причинами фоновых гравитационных волн являются аксионы темной материи, черные дыры, оставшиеся с начала существования Вселенной — так называемые первобытные черные дыры — и космические струны. В другой работе NANOGrav, опубликованной сегодня в журнале ApJ Letters, излагаются ограничения на эти теории.

Другие группы предполагают, что это происходит от космической инфляции, космических струн или других видов новых физических процессов, которые сами по себе очень интересны, но мы считаем, что гораздо более вероятны бинарные волны. Однако для того, чтобы окончательно утверждать, что это происходит от бинаров, необходимо измерить, насколько сильно меняется сигнал гравитационных волн по небу. Бинары должны давать гораздо большие вариации, чем альтернативные источники, — говорит Келли.

Именно сейчас начинается серьезная работа и волнение, поскольку мы продолжаем наращивать чувствительность. По мере того, как мы будем продолжать проводить более точные измерения, наши ограничения на популяции сверхмассивных черных дыр в двойных системах будут быстро становиться все лучше и лучше.

Слияние галактик приводит к слиянию черных дыр

Считается, что большинство крупных галактик имеют в своих центрах массивные черные дыры, однако их трудно обнаружить, поскольку излучаемый ими свет — от рентгеновских лучей до радиоволн, возникающих при падении звезд и газа в черную дыру, — обычно блокируется окружающим газом и пылью. Недавно Ма проанализировал движение звезд вокруг центра одной крупной галактики M87 и уточнил оценку ее массы, которая в 5,37 млрд. раз превышает массу Солнца, несмотря на то, что сама черная дыра полностью скрыта от глаз.

Заманчиво, что сверхмассивная черная дыра в центре M87 может быть бинарной черной дырой. Но никто не знает этого наверняка.

Мой вопрос для M87 или даже для нашего галактического центра, Стрельца А*, заключается в следующем: можно ли спрятать вторую черную дыру рядом с основной черной дырой, которую мы изучали? И я думаю, что в настоящее время никто не может этого исключить», — заявляет Ма.

Доказательством того, что гравитационные волны исходят от бинарных сверхмассивных черных дыр, должны стать результаты будущих исследований, в которых мы надеемся увидеть непрерывные волны от одиночных бинарных источников.

Моделирование слияния галактик предполагает, что бинарные сверхмассивные черные дыры являются обычным явлением, поскольку центральные черные дыры двух сливающихся галактик должны опускаться вместе к центру большей слившейся галактики. По словам Келли, эти черные дыры начинают вращаться друг вокруг друга, однако волны, которые может обнаружить NANOGrav, испускаются только при их очень близком расположении — примерно в 10-100 раз больше диаметра нашей Солнечной системы или в 1000-10 000 раз больше расстояния между Землей и Солнцем, что составляет 93 млн. миль.

Но может ли взаимодействие с газом и пылью в слившейся галактике заставить черные дыры закрутиться по спирали внутрь и подойти так близко, что слияние станет неизбежным?

Это, пожалуй, самая большая неопределенность, связанная с бинарами сверхмассивных черных дыр: Как их можно перевести из состояния сразу после слияния галактик в состояние, когда они фактически сливаются, — говорит Келли.

При слиянии галактик две сверхмассивные черные дыры сближаются примерно до килопарсека — расстояния в 3 200 световых лет, что примерно соответствует размеру ядра галактики. Но для того, чтобы они действительно могли создавать гравитационные волны, им необходимо уменьшиться до расстояний на пять или шесть порядков.

«Возможно, что они просто застопорились», — замечает Ма. „Мы называем это проблемой последнего парсека. Если бы у вас не было другого канала для их сжатия, то мы бы не ожидали увидеть гравитационные волны“.

Однако данные NANOGrav свидетельствуют о том, что большинство двойных сверхмассивных черных дыр не замирают.

Амплитуда гравитационных волн, которые мы наблюдаем, говорит о том, что слияния достаточно эффективны, а это означает, что большая часть сверхмассивных двойных черных дыр способна переходить от масштабов слияния крупных галактик к очень, очень малым субпарсековым масштабам, — заявляет Келли.

NANOGrav удалось измерить фоновые гравитационные волны благодаря наличию миллисекундных пульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд, которые несколько сотен раз в секунду проносят мимо Земли яркий пучок радиоволн. По неизвестным причинам частота их пульсаций определяется с точностью до десятых долей миллисекунды. Когда в 1982 г. покойный астроном Дональд Бакер из Калифорнийского университета в Беркли обнаружил первый такой миллисекундный пульсар, он быстро понял, что эти прецизионные вспышки могут быть использованы для обнаружения колебаний пространства-времени, порождаемых гравитационными волнами. Он ввел термин «временной массив пульсаров», чтобы описать набор пульсаров, разбросанных вокруг нас в галактике, которые можно использовать в качестве детектора.

В 2007 году Баккер стал одним из основателей проекта NANOGrav — совместной работы, в которой сегодня участвуют более 190 ученых из США и Канады. Предполагалось, что группа миллисекундных пульсаров в нашей части галактики Млечный Путь будет наблюдаться не реже одного раза в месяц и, после учета влияния движения, искать коррелированные изменения в частоте пульсаций, которые можно будет приписать длинноволновым гравитационным волнам, распространяющимся по галактике. По словам Келли, изменение времени прихода сигнала от конкретного пульсара будет составлять порядка миллионной доли секунды.

Только статистически согласованные вариации являются отличительной чертой гравитационных волн, — говорит исследователь.

Вариации на миллисекундных, десятков миллисекундных масштабах наблюдаются постоянно. Это просто связано с шумовыми процессами. Но для того чтобы уловить сигналы с амплитудой около 100 наносекунд или около того, необходимо глубоко вникнуть в них и посмотреть на эти корреляции.

Всего коллаборация NANOGrav наблюдала 68 пульсаров, некоторые из них в течение 15 лет, и 67 из них были использованы в текущем анализе. Группа публично опубликовала свои программы анализа, которые используются группами в Европе (European Pulsar Timing Array), Австралии (Parkes Pulsar Timing Array) и Китае (Chinese Pulsar Timing Array) для корреляции сигналов от различных, хотя иногда и пересекающихся наборов пульсаров, отличных от используемых в NANOGrav.

По словам Келли, данные NANOGrav позволяют сделать еще несколько выводов о популяции бинарных слияний сверхмассивных черных дыр за всю историю существования Вселенной. Например, амплитуда сигнала указывает на то, что популяция перекошена в сторону больших масс. Если максимальная масса известных сверхмассивных черных дыр составляет около 20 млрд. солнечных масс, то многие из тех, что создавали фон, могли быть больше, возможно, даже 40 или 60 млрд. солнечных масс. Кроме того, возможно, существует гораздо больше двойных сверхмассивных черных дыр, чем мы думаем.

Хотя наблюдаемая амплитуда гравитационного волнового сигнала в целом соответствует нашим ожиданиям, она определенно несколько завышена, — говорит Келли.

Таким образом, нам необходимо иметь некую комбинацию относительно массивных сверхмассивных черных дыр, очень высокую частоту появления этих черных дыр, и, вероятно, они должны быть в состоянии коалесцировать достаточно эффективно, чтобы иметь возможность создавать такие амплитуды, которые мы наблюдаем. А может быть, дело скорее в том, что массы на 20% больше, чем мы думали, но при этом они сливаются в два раза эффективнее, или в какой-то комбинации параметров.

По мере поступления данных за несколько лет наблюдений команда NANOGrav рассчитывает получить более убедительные доказательства существования космического гравитационно-волнового фона и того, что его порождает, что может быть комбинацией источников. Пока же астрономы с воодушевлением смотрят на перспективы гравитационно-волновой астрономии.

Открытие очень интересно в качестве нового инструмента, — заключает Ма.

Оно распахивает совершенно новое окно для изучения сверхмассивных черных дыр.

09.08.2023