В ближайшее время нас ожидают слияния сверхмассивных черных дыр!

Впервые в истории астрономы обнаружили низкочастотные гравитационные волны (гр-волновой фон), используя антенну размером с нашу Галактику Млечный Путь, состоящую из миллисекундных пульсаров! И судя по его возрастающей силе – в ближайшее время нас ожидают слияния сверхмассивных черных дыр!

В течение почти десяти лет ученые охотились за слабым фоном гравитационных волн, который, как считается, был вызван событиями, произошедшими вскоре после Большого взрыва, а также слияниями сверхмассивных черных дыр по всему космосу. Теперь многолетние наблюдения окончательно подтвердили их наличие. Вчера (28 июня 2023 года) группа ученных, объединяющая множество стран, сообщила об открытии «низкочастотного гула» гравитационных волн, протекающих по Млечному Пути.

Хотя астрономы точно не знают, что вызывает гул, обнаруженный сигнал является «убедительным доказательством» и согласуется с теоретическими ожиданиями гравитационных волн, исходящих от многочисленных пар «самых массивных черных дыр во всей Вселенной», весящих в миллиарды раз больше Солнца», — сказал Стивен Тейлор, астрофизик гравитационных волн из Университета Вандербильта в Теннесси, один из руководителей исследования.

Намеки на тот же сигнал были анонсированы в серии статей, опубликованных учеными из Китая, Индии, Европы и Австралии. Они говорят, что сигналы могут исходить от слияния сверхмассивных черных дыр, которые вовлечены в космический танец, вращаясь вокруг друг друга по орбитам, которые сужаются за миллионы лет. Во время этого процесса они высвобождают энергию в виде гравитационных волн, которые разносятся по всей Вселенной — волны, которые, по словам астрономов, они обнаружили.

Ученые сообщают, что значение наблюдаемого фонового гула гравитационных волн с течением времени возросло, предоставляя дразнящее доказательство того, что в ближайшие несколько сотен тысяч лет могут произойти слияние сотен тысяч или даже миллионов сверхмассивных черных дыр, даже несмотря на то, что эти гигантские объекты еще не заметили в других диапазонах излучения (электромагнитном излучении, космические лучи и нейтринный поток).

Космические маяки, как детекторы гравитационных волн.

Чтобы обнаружить фон гравитационных волн, астрономы изучили быстро вращающиеся звезды, называемые миллисекундными пульсарами (нейтронные звезды), которые являются мертвыми звездами, вращающиеся до 700 раз за 1 секунду с потрясающей точностью и испуская лучи света (и радиоволн) от своих магнитных полюсов, что видны как «импульсы», когда они мерцают в направлении Земли.

Такие космические маяки могут помочь обнаружить гравитационные волны сверхмассивных черных дыр, которые в миллионы или миллиарды раз больше по массе, чем наше Солнце. Для сравнения, сеть лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) может обнаруживать только гравитационные волны, исходящие от небольших черных дыр, которые всего в десятки раз массивнее Солнца.

Если бы космическое пространство между Землей и пульсарами было бы абсолютно пустым, то свету (радиосигналу) требовалось бы одно и то же время чтобы достичь Земли каждый раз когда эти нейтронные звезды пульсируют в нашем направлении. Но на самом деле на время импульсов влияют такие факторы, как газ и пыль в межзвездной среде и движение пульсаров, а также вращение Земли в Млечном Пути.

Также гравитационные волны растягивают и сжимают ткань пространства-времени между нами и пульсарами, искажая их строго регулярные импульсы, которые меняются на десятки наносекунд за пять и более лет (скорее всего, тут имеется ввиду сдвиг на десятки наносекунд от ожидаемого периода, при условии наблюдений в течение 5 и более лет – такая высокая точность периодов оборота замедляющихся со временем нейтронных звезды), в результате чего световые вспышки (и радиосигналы) появляются раньше или позже, чем обычно.

В новом исследовании «критическим доказательством», которое указывает на то, что источником сигналов являются сверхмассивные черные дыры, является уникальная закономерность, обнаруженная в изменениях времени прихода импульсов от космической антенны размером с галактику Млечный Путь от 70 (шт) миллисекундных пульсаров в окружении Солнечной системы. По данным консорциума астрономов, известного как Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (The North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav). По словам ученых, сигналы гравитационных волн от двойных черных дыр накладываются «как голоса в толпе» и приводят к непрекращающемуся гулу, который встраивается в виде уникального паттерна в данные о времени пульсара.

Ученые извлекли эту закономерность, наблюдая маякоподобные лучи от пар пульсаров (радионаблюдения!). Используя различные радиотелескопы, такие как ныне разрушенная обсерватория Аресибо в Пуэрто-Рико, обсерватория Грин-Бэнк в Западной Вирджинии, Очень большая решетка имени Карла Г. Янски в Нью-Мексико и Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) в Канаде, они собрали данные о времени этих импульсов каждый месяц в течение 15 лет. Затем они рассчитали разницу между фактическим временем прибытия импульсов и их предсказанным временем прибытия, которое они смогли оценить в пределах 1 микросекунды (1 миллионная доля секунды), что сравнимо с измерением расстояния до Луны с точностью до тысячной доли миллиметра, говорят ученые.

Переступая последний порог

Ученые знают, что когда черные дыры сливаются, их гравитация взаимодействует с соседними звездами, что истощает орбитальную энергию черных дыр и подталкивает их все ближе к тому, чтобы превратиться в единую черную дыру. Простая модель предполагает, что после того, как черные дыры (сверхмассивные) окажутся на расстоянии 3,2 световых года друг от друга, они сольются, излучая гравитационные волны. Однако другие модели предполагали, что для слияния черных дыр (сверхмассивных) требуется время значительно большее, чем время существования Вселенной, поскольку они останавливают свое слияние, когда достигают отметки в 3,2 световых года.

«В какой-то момент ученые были обеспокоены тем, что сверхмассивные черные дыры в двойных системах будут вечно вращаться вокруг друг друга, никогда не сближаясь достаточно близко друг к другу, чтобы генерировать подобный сигнал», — Люк Золтан Келли, доцент Калифорнийского университета в Беркли. входит в состав коллаборации NANOGrav.

Поэтому, то, как сверхмассивные черные дыры уменьшают свою орбиту, когда расстояние между ними меньше 3,2 св года и в конечном итоге сливаются - не очень хорошо изучено и это называются «проблема последнего парсека» (1 пк = 3,26 св.года).

«Чтобы получить эти типы высоких амплитуд, которые мы наблюдаем, нам нужны довольно массивные черные дыры, и они должны формировать двойные системы довольно часто и достаточно эффективно развиваться», — сказал Келли.

Если открытие подтвердится и обнаруженные сигналы окажутся исходящими от двойных сверхмассивных черных дыр, «тогда они обязательно должны были так или иначе пройти последний парсек», — добавил он.

Четыре отдельных исследования по открытию фона гравитационных волн были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters. Два дополнительных исследования были приняты The Astrophysical Journal Letters для публикации позднее.