Nowe badanie jeszcze bardziej zawęża poszukiwania par supermasywnych czarnych dziur
Chociaż astrofizycy nigdy nie wykryli układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur, detektor wielkości galaktyki złożony z martwych gwiazd jest na ich tropie.
Kiedy dwie galaktyki posiadające w swoich wnętrzach centralną supermasywną czarną dziurę łączą się ze sobą, mogą stworzyć układ podwójny tych monstrualnych czarnych dziur.
Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda, NASA/Scott Noble
W najnowszym badaniu przeprowadzonym przez naukowców z Northwestern University, astrofizycy dokonali analizy 12,5-letniego zbioru danych z 45 martwych gwiazd, znanych jako pulsary, w celu ustalenia najbardziej precyzyjnych granic sygnatur fal grawitacyjnych emitowanych przez pary supermasywnych czarnych dziur. Poznanie tych limitów ma zasadnicze znaczenie dla astrofizyków, którzy chcą ograniczyć liczbę układów podwójnych znajdujących się w pobliskim Wszechświecie. Dodatkowo, przyczyni się to do potwierdzenia lub odrzucenia istniejących kandydatów na układy podwójne oraz, w przyszłości, do wykrycia fal grawitacyjnych generowanych przez te skomplikowane pary.
W innym istotnym badaniu stwierdzono również, że naukowcy, dążąc do odkrycia par supermasywnych czarnych dziur, muszą uwzględnić nieustający szum tła generowany przez symfonię fal grawitacyjnych pochodzących z rozmaitych układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur obecnych we Wszechświecie.
Praca została zaakceptowana przez The Astrophysical Journal Letters i będzie opublikowana latem 2023 roku.
Jesteśmy naprawdę przekonani, że znajdujemy się blisko wykrycia podwójnej supermasywnej czarnej dziury za pomocą fal grawitacyjnych – powiedziała Caitlin Witt z Northwestern, która pełniła rolę kierownika badania. To odkrycie miałoby znaczenie dla wielu dziedzin nauki. Pozwoliłoby nam przeprowadzić dalsze eksperymenty, takie jak testowanie grawitacji w celu zbadania, czy supermasywne czarne dziury ewoluują zgodnie z naszymi obecnymi przypuszczeniami oraz nauczyłoby nas, jak je odnajdywać w przyszłych badaniach. Ponadto, byłoby możliwe spojrzenie wstecz w kosmicznym czasie i prześledzenie historii Wszechświata, w którym obecnie się znajdujemy.
Zbyt duże by je wykryć
Znajdujące się w centrum większości galaktyk supermasywne czarne dziury mogą być kilka miliardów razy masywniejsze od naszego Słońca. W porównaniu do typowych gwiazdowych czarnych dziur, które są od 10 do 100 razy masywniejsze od Słońca, supermasywne czarne dziury są niewyobrażalnie olbrzymie.
Kiedy dwie galaktyki – każda z centralną supermasywną czarną dziurą – łączą się ze sobą, może powstać układ podwójny tych monstrualnych czarnych dziur.
Pewnego dnia nasza Galaktyka zderzy się z galaktyką Andromedy – powiedziała Witt. Miliony lat później czarne dziury w końcu odnajdą się nawzajem, tworząc mały układ koleżeński. Wykrywanie fal grawitacyjnych z takich układów pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób galaktyki oddziałują na siebie i jak ewoluuje Wszechświat.
W 2016 roku międzynarodowy zespół pod kierownictwem profesor Vicky Kalogera z Northwestern skorzystał z detektorów Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), aby wykryć fale grawitacyjne pochodzące z połączenia dwóch czarnych dziur o masie gwiazdowej. To wydarzenie spowodowało krótkotrwałe i widoczne zakrzywienia w czasoprzestrzeni. Niestety, układy podwójne składające się z supermasywnych czarnych dziur są zbyt rozległe i oddalone od siebie na tyle, że ziemski sprzęt, jakim jest LIGO, nie jest w stanie ich wykryć. Te ogromne pary czarnych dziur generują fale o tak długim okresie, że mogą minąć lata, a nawet dekady, zanim fale grawitacyjne dotrą w pełni do Ziemi. Nawet po uruchomieniu kosmicznego detektora fal grawitacyjnych LISA, nie będzie możliwe wykrycie tych olbrzymich fal.
LIGO może wykrywać tylko długości fal, które mieszczą się w jego ramionach – powiedziała Witt. Musimy szukać znacznie niższych częstotliwości fal. Detektory są wrażliwe na pary supermasywnych czarnych dziur, które mogą potrzebować miesiąca lub nawet 15 lat, aby wzajemnie się okrążyć. Szukamy więc stałego sygnału, który mógłby wtopić się w tło.
Pulsary tykają jak zegar
Aby przezwyciężyć to wyzwanie, zespół naukowców o międzynarodowym składzie stworzył North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). Projekt ten ma na celu wykrywanie fal grawitacyjnych poprzez obserwację pulsarów, czyli szybko wirujących gwiazd neutronowych powstałych w wyniku eksplozji masywnej gwiazdy na końcu jej życia jako supernowej. Pulsary, podobnie jak latarnie morskie, emitują wiązki światła, które migoczą wskutek rotacji.
Ponieważ pulsary wirują tak stabilnie, widzimy małe błyski światła, które tykają jak zegar – powiedziała Witt. Obserwujemy to światło za pomocą naziemnych radioteleskopów. Jeżeli zegar tyka nieco wcześniej lub nieco później, jest to znak, że mogła na niego wpłynąć fala grawitacyjna.
NANOGrav śledzi 75 pulsarów – 45 z nich zostało wykorzystanych w tym badaniu – zlokalizowanych na całym niebie. Ich wiązki światła migają w kierunku Ziemi w ciągu zaledwie milisekund. Tak więc w tym przypadku „trochę za wcześnie lub trochę za późno” może oznaczać ułamek nanosekundy. Dlatego techniki NANOGrav muszą być niezwykle czułe, aby uchwycić te prawie niezauważalne zmiany.
Obserwując niebo w całości, Witt i zespół NANOGrav poszukują określonych wzorców wśród wszystkich pulsarów jednocześnie. Zgodnie z teorią, układy podwójne składające się z supermasywnych czarnych dziur powinny emitować fale grawitacyjne, które wpływają na czasoprzestrzeń, dosłownie rozciągając ją i ściskając w drodze do Ziemi. Zakrzywienie czasoprzestrzeni wpływa na wiązkę światła pulsarów w taki sposób, że pozwala nam wykryć ukrytą parę olbrzymich czarnych dziur.
„Czerwony szum może nas oszukać”
Ale oczywiście pulsary generują również własny szum, który może zakłócić sygnały.
Pulsary mają pewien wewnętrzny szum zwany „czerwonym szumem” – powiedziała Witt. Ich wnętrze może powoli nieco się chwiać, czego nie można zobaczyć, chyba że patrzy się tak uważnie jak my. Ten czerwony szum wygląda podobnie do szerokiego szumu fal grawitacyjnych, którego szukamy. Musimy to rozdzielić.
W 2022 roku zespół NANOGrav opublikował badanie, w którym odkrył występowanie czerwonego szumu we wszystkich pulsarach, który wykazuje te same wspólne cechy. Jednakże, ze względu na brak dodatkowych dowodów, NANOGrav nie może jednoznacznie przypisać tego zjawiska falom grawitacyjnym. W nowym badaniu, Witt i jej zespół stwierdzili, że konieczne jest dokładne rozważenie tego czerwonego szumu, aby ostatecznie wykryć fale grawitacyjne pochodzące z poszczególnych układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur.
Kiedy fala grawitacyjna staje się wykrywalna, na pierwszy rzut oka wygląda bardzo podobnie do czerwonego szumu – powiedziała Witt. Czerwony szum może nas zmylić. Nasze nowe badanie mówi nam, że musimy uważnie się przyglądać, aby uniknąć pomyłki. Będzie to ważne, gdy w końcu wykryjemy fale grawitacyjne.
Mimo że NANOGrav nie jest jeszcze w stanie wykryć supermasywnych czarnych dziur w układach podwójnych za pomocą fal grawitacyjnych, nowa praca autorstwa Witt przynosi postęp w tej dziedzinie. Wykorzystując 12,5-letni zbiór danych, naukowcy opracowali nowe modele, które precyzyjnie uwzględniają niepewności związane z danymi pulsarów oraz wprowadzili nowe techniki w celu rozpoznawania czerwonego szumu.
Potwierdzenie kandydatek
Najnowsze modele umożliwiają najbardziej precyzyjne do tej pory ograniczenie siły fal grawitacyjnych generowanych przez pary supermasywnych czarnych dziur. Wcześniej, inni naukowcy wykryli potencjalne pary takich czarnych dziur za pomocą teleskopów optycznych. Jednak NANOGrav może w końcu potwierdzić, czy ci potencjalni kandydaci są rzeczywiście parami supermasywnych czarnych dziur.
Dzięki naszym nowym metodom możemy być w stanie potwierdzić to wcześniej – powiedziała Witt. Lub, jeżeli będziemy kontynuować gromadzenie i analizowanie danych, będziemy w stanie wykluczyć to jako kandydata. Może to być po prostu coś innego, dziwnego, co dzieje się w Galaktyce.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
