Układy podwójne supermasywnych czarnych dziur mogą wkrótce wykryć fale grawitacyjne

Chociaż astrofizycy nigdy nie wyczuli supermasywnych układów podwójnych czarnych dziur, detektor wielkości galaktyki złożony z martwych gwiazd jest już na jego tropie.

W nowym badaniu prowadzonym przez Northwestern University astrofizycy przeanalizowali 12,5-letnie dane z 45 martwych gwiazd (zwanych pulsarami), aby ustalić jak najlepsze granice sygnałów fal grawitacyjnych emitowanych przez pary potwornych czarnych dziur. Znajomość tych ograniczeń pomoże astrofizykom ograniczyć liczbę układów podwójnych w pobliskim wszechświecie, potwierdzić lub odrzucić aktualnych kandydatów na układy podwójne i pewnego dnia wykryć fale grawitacyjne z tych złożonych par.

W ramach innego przełomu badanie wykazało również, że podczas poszukiwania par supermasywnych czarnych dziur naukowcy muszą uwzględniać ciągły szum tła emitowany przez symfonię fal grawitacyjnych ze wszystkich układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur we wszechświecie.

Badanie zostało zaakceptowane przez The Astrophysical Journal Letters i zostanie opublikowane tego lata. Wstępna kopia rękopisu jest dostępna tutaj.

„Naprawdę uważamy, że odkrycie układu podwójnego supermasywnych czarnych dziur poprzez fale grawitacyjne jest tuż za rogiem” – powiedział Northwestern. Caitlin Wittkto kierował badaniem. Byłoby to ważne odkrycie dla wielu dziedzin nauki. Umożliwi nam to przeprowadzenie dalszych eksperymentów, takich jak test grawitacyjny, aby zbadać, czy układy podwójne supermasywnych czarnych dziur ewoluują tak, jak myślimy, i nauczy nas, jak ich szukać w przyszłych przeglądach. Będziemy też mogli spojrzeć wstecz w czasie kosmicznym i prześledzić historię wszechświata, w którym żyjemy”.

Witt jest pierwszym stypendystą CIERA-Adler Postdoctoral Fellow na Northwestern University Centrum Interdyscyplinarnych Poszukiwań i Badań Astrofizyki (CIERA) f Planetarium Adlera.

zbyt duże, by je odkryć

Supermasywne czarne dziury leżą w centrum większości galaktyk i mogą mieć masę kilku miliardów razy większą od masy naszego Słońca. W porównaniu z typowymi czarnymi dziurami o masie gwiazdowej, które są od 10 do 100 razy masywniejsze od naszego Słońca, supermasywne czarne dziury są niewyobrażalnie gigantyczne.

Kiedy dwie galaktyki – każda z supermasywną czarną dziurą – łączą się ze sobą, mogą stworzyć układ podwójny tych monstrualnych czarnych dziur.

„Pewnego dnia nasza galaktyka zderzy się z galaktyką Andromedy” – powiedział Witt. „Po milionach lat czarne dziury w końcu odnalazły się, tworząc mały przyjazny układ. Wykrywanie fal grawitacyjnych z takich układów pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób galaktyki oddziałują na siebie i jak ewoluuje wszechświat”.

W 2016 roku profesor Northwestern University współkierował międzynarodowym zespołem Vicky Calogera Laserowe Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) zostało po raz pierwszy użyte do wykrycia fal grawitacyjnych pochodzących z połączenia dwóch czarnych dziur o masach gwiazdowych, które powodują widoczne, krótkotrwałe zmarszczki w czasoprzestrzeni. Ale układy podwójne supermasywnych czarnych dziur są zbyt duże i zbyt daleko od siebie, aby instrumenty naziemne, takie jak LIGO, mogły je wykryć. Te pary potworów tworzą bardzo długie fale, które mogą zająć lata, a nawet dziesięciolecia, zanim ich fale grawitacyjne całkowicie obmyją Ziemię. Nawet podczas startu NASA i Europejskiej Agencji Kosmicznej Lisa (Kosmiczny detektor fal grawitacyjnych używany przez profesora z Northwestern Shane’a Larsona jest zastępcą głównego badacza) na początku lat 30. XXI wieku nie będzie już w stanie wykryć tak masywnych fal.

„LIGO może wykrywać tylko długości fal, które pasują do jego ramion” – powiedział Witt. „Musimy szukać znacznie niższych częstotliwości fal. Jesteśmy wrażliwi na pary supermasywnych czarnych dziur, którym okrążanie siebie może zająć miesiąc, a nawet 15 lat. Szukamy więc stabilnego sygnału, który może wtapiać się w tło. ”

Pulsary tykają jak zegar

Aby obejść tę przeszkodę, międzynarodowa współpraca naukowców stworzyła North American Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav), które poszukuje fal grawitacyjnych za pomocą pulsarów, rodzaju szybko obracającej się gwiazdy neutronowej powstałej w wyniku wybuchu supernowej masywnej gwiazdy w koniec. jej życia. Podobnie jak latarnia morska, pulsar emituje migającą wiązkę światła podczas obracania się.

„Ponieważ pulsary obracają się tak równomiernie, widzimy małe błyski światła tykające jak zegar” – powiedział Witt. „Widzimy to światło za pomocą naziemnych radioteleskopów. Jeśli zegar nadejdzie trochę za wcześnie lub późno, jest to znak, że może mieć na nie wpływ fala grawitacyjna.”

NANOGrav śledzi 75 pulsarów — z których 45 wykorzystano w tym badaniu — rozmieszczonych na nocnym niebie. I potrzeba milisekund, aby ich promienie światła rozbłysły z Ziemi. Tak więc w tym przypadku „trochę wcześnie lub trochę późno” może oznaczać ułamek nanosekundy. Dlatego techniki NANOGrav muszą być bardzo czułe, aby uchwycić te prawie niezauważalne zmiany.

Patrząc na całe niebo, Witt i zespół NANOGrav szukają określonych wzorów we wszystkich pulsarach razem. Zgodnie z teorią układy podwójne supermasywnych czarnych dziur powinny emitować fale grawitacyjne, które rozciągają i ściskają (lub kompresują) czasoprzestrzeń w drodze na Ziemię. Zniekształcona czasoprzestrzeń wpłynie na wiązki światła pulsarowego w sposób, który wskazuje na nieuchwytną parę potwornych czarnych dziur.

Czerwony szum może nas oszukać

Ale oczywiście pulsary generują własny szum, który może zakłócać sygnały.

„Pulsary zawierają wewnętrzny szum zwany„ czerwonym szumem ”- powiedział Witt. Ten czerwony szum jest podobny do szerokiego szumu fali grawitacyjnej, którego szukamy. Musimy to dalej przemyśleć”.

W zeszłym roku zespół NANOGrav opublikował badanie, w którym odkrył proces czerwonego szumu we wszystkich pulsarach, które mają te same wspólne cechy. Bez dalszych dowodów NANOGrav nie może tego przypisać falom grawitacyjnym. W nowym badaniu Witt i jej zespół stwierdzili, że ten czerwony szum nadal musi być dokładnie uwzględniony, aby ostatecznie wykryć fale grawitacyjne z pojedynczych supermasywnych układów podwójnych czarnych dziur.

„Kiedy fala grawitacyjna staje się wykrywalna, na pierwszy rzut oka wygląda bardzo podobnie do czerwonego szumu” – powiedział Witt. „Czerwony szum może nas oszukać. Nasze nowe badanie mówi nam, że musimy przyjrzeć się uważnie, aby uniknąć zamieszania. Ważne będzie monitorowanie, kiedy w końcu odkryjemy fale grawitacyjne.”

Chociaż NANOGrav jeszcze nie wykrył układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur z falami grawitacyjnymi, nowy artykuł Witta przybliża to pole bardziej niż kiedykolwiek wcześniej. Korzystając z 12,5-letniego zestawu danych, naukowcy stworzyli nowe modele, aby dokładnie uwzględnić niepewność danych pulsarowych i wdrożyli nowe techniki obliczania czerwonego szumu.

Potwierdzenie kandydatów

Te nowe modele dostarczają minimalistycznych danych na temat siły fal grawitacyjnych emitowanych przez pary supermasywnych czarnych dziur. Wcześniej inni badacze wykryli układy podwójne supermasywnych czarnych dziur za pomocą teleskopów opartych na świetle. NANOGrav może w końcu potwierdzić, że ci potencjalni kandydaci to rzeczywiście supermasywne układy podwójne czarnych dziur.

„Dzięki naszym nowym metodom możemy być w stanie potwierdzić to wcześniej” – powiedział Witt. „Albo jeśli będziemy nadal zbierać i analizować dane, być może będziemy w stanie wykluczyć go jako kandydata. Może to być kolejna dziwna rzecz dziejąca się w galaktyce.”

Badanie „12,5-Year NANOGrav Data Set: Bayesian Limits on Gravitational Waves from Binaries of Supermassive Black Holes” było wspierane przez National Science Foundation (nagroda nr 1430284 i 2020265). Aby ukończyć pracę, naukowcy wykorzystali obiekty w Obserwatorium Arecibo, Obserwatorium Green Bank i National Radio Astronomy Observatory.