Чтобы найти гигантские черные дыры, начните с Юпитера
Революция в нашем понимании ночного неба и нашего места во вселенной началась, когда мы перешли от использования невооруженным глазом к телескопу в 1609 году. Четыре столетия спустя ученые испытывают аналогичный переход в своих знаниях о черных дырах, ища гравитационные волны.
В поисках ранее не обнаруженных черных дыр, которые в миллиарды раз массивнее Солнца, Стивен Тейлор, доцент кафедры физики и астрономии и бывший астроном Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) совместно с Североамериканской обсерваторией наногерц для гравитационных волн ( NANOGrav) сотрудничество продвинуло область исследований вперед, найдя точное местоположение — центр тяжести нашей солнечной системы — с помощью которого можно измерить гравитационные волны, которые сигнализируют о существовании этих черных дыр.
Потенциал, представленный этим достижением, в соавторстве с Тейлором, был опубликован в журнале Astrophysical Journal в апреле 2020 года.
Черные дыры — это области чистой гравитации, образованные из чрезвычайно искривленного пространства-времени. Обнаружение самых титанических черных дыр во Вселенной, которые скрываются в основе галактик, поможет нам понять, как такие галактики (включая нашу) росли и развивались в течение миллиардов лет с момента их образования. Эти черные дыры также являются непревзойденными лабораториями для проверки фундаментальных предположений о физике.
Гравитационные волны — это пульсации в пространстве-времени, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна. Когда черные дыры вращаются вокруг друг друга парами, они излучают гравитационные волны, которые деформируют пространство-время, растягивая и сжимая пространство. Гравитационные волны были впервые обнаружены лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) в 2015 году, открывая новые перспективы для самых экстремальных объектов во вселенной. Принимая во внимание, что LIGO наблюдает относительно короткие гравитационные волны, просматривая изменения в форме детектора длиной 4 км, NANOGrav, Центр физических наук Национального научного фонда (NSF), ищет изменения в форме всей нашей галактики.
Тейлор и его команда ищут изменения в скорости поступления регулярных вспышек радиоволн от пульсаров. Эти пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, некоторые из которых движутся так же быстро, как кухонный блендер. Они также посылают лучи радиоволн, появляясь как межзвездные маяки, когда эти лучи проникают над Землей. Данные за 15 лет показали, что эти пульсары чрезвычайно надежны по частоте поступления импульсов, выступая в качестве выдающихся галактических часов. Любые временные отклонения, которые связаны с множеством этих пульсаров, могут сигнализировать о влиянии гравитационных волн, искривляющих нашу галактику.
«Используя пульсары, которые мы наблюдаем по всей галактике Млечный Путь, мы пытаемся быть похожими на паука, сидящего в тишине посреди ее паутины», — объясняет Тейлор. «Насколько хорошо мы понимаем, что барицентр солнечной системы имеет решающее значение, поскольку мы пытаемся почувствовать даже малейшее покалывание в сети». Барицентр солнечной системы, ее центр тяжести, является местом, где уравновешиваются массы всех планет, лун и астероидов.
Где находится центр нашей паутины, место абсолютной неподвижности в нашей солнечной системе? Не в центре Солнца, как многие могли бы предположить, скорее это ближе к поверхности звезды. Это связано с массой Юпитера и нашим несовершенным знанием его орбиты. Юпитеру требуется 12 лет на то, чтобы вращаться вокруг Солнца, лишь несколько из тех 15 лет, когда НАНОГрав собирал данные. Зонд JPL Galileo (названный в честь знаменитого ученого, который использовал телескоп для наблюдения за спутниками Юпитера) изучал Юпитер в период с 1995 по 2003 год, но испытал технические проблемы, которые повлияли на качество измерений, выполненных во время миссии.
Идентификация центра гравитации Солнечной системы уже давно рассчитывается с помощью данных доплеровского слежения, чтобы получить оценку местоположения и траекторий тел, вращающихся вокруг Солнца. «Суть в том, что ошибки в массах и орбитах преобразуются в артефакты синхронизации пульсаров, которые вполне могут выглядеть как гравитационные волны», — объясняет астроном и соавтор JPL Джо Саймон.
Тейлор и его сотрудники обнаружили, что работа с существующими моделями солнечной системы для анализа данных NANOGrav дала противоречивые результаты. «Мы не обнаружили ничего существенного в наших поисках гравитационных волн между моделями солнечной системы, но мы получили большие систематические различия в наших расчетах», — отмечает астроном JPL и ведущий автор статьи Мишель Валлиснери. «Как правило, больше данных дает более точный результат, но в наших расчетах всегда было смещение».
Группа решила искать центр тяжести Солнечной системы одновременно с исследованием гравитационных волн. Исследователи получили более надежные ответы на поиск гравитационных волн и смогли более точно локализовать центр гравитации Солнечной системы с точностью до 100 метров. Чтобы понять эту шкалу, если бы солнце было размером с футбольное поле, 100 метров было бы диаметром волоса. «Наше точное наблюдение пульсаров, рассеянных по всей галактике, локализовало нас в космосе лучше, чем мы когда-либо могли раньше», — сказал Тейлор. «Находя таким образом гравитационные волны, в дополнение к другим экспериментам, мы получаем более целостный обзор всех видов черных дыр во Вселенной».
Поскольку NANOGrav продолжает собирать все более обильные и точные данные синхронизации пульсаров, астрономы уверены, что массивные черные дыры скоро и однозначно обнаружатся в данных.
Тейлор был частично поддержан назначением на постдокторскую программу НАСА в JPL. Проект NANOGrav получает поддержку от премии Центра изучения физики NSF № 1430284, и эта работа была частично поддержана грантом NSF PHYS-1066293 и гостеприимством Центра физики Аспена. Данные для этого проекта были собраны с использованием объектов Обсерватории Зеленого берега и Обсерватории Аресибо.
Источник истории:
Материалы предоставлены Университетом Вандербильта . Оригинал написан Мариссой Шапиро. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.
Ссылка на журнал :
- М. Валлиснери, С. Р. Тейлор, Дж. Саймон, В. М. Фолкнер, Р. С. Парк, К. Катлер, Дж. А. Эллис, Т. Дж. Лацио, С. Дж. Вигеланд, К. Аггарвал, З. Арзуманян, П. Т. Бейкер, А. Брейзер, П. Р. Брук, С. Берк-Сполаор, С. Чаттерджи, Дж. М. Кордес, Н. Дж. Корниш, Ф. Кроуфорд, Х. Т. Кромарти, К. Краутер, М. Де Сезар, П. Б. Деморест, Т. Долч, Р. Д. Фердман, Е. К. Феррара, Е. Фонсека, Н. Гарвер- Дэниелс, П. Джентиле, Д. Гуд, Дж. С. Хазбоун, А. М. Холгадо, Э. А. Уэрта, К. Исло, Р. Дженнингс, Дж. Джонс, М. Л. Джонс, Д. Л. Каплан, Л. З. Келли, Дж. С. Ки, М. С. Лэм, Л. Левин, DR Lorimer, J. Luo, RS Lynch, DR Madison, MA McLaughlin, ST McWilliams, CMF Mingarelli, C. Ng, DJ Nice, TT Pennucci, NS Pol, SM Ransom, PS Ray, X. Siemens, R. Spiewak, IH Stairs, DR Stinebring, K. Stovall, JK Swiggum, R. van Haasteren, CA Witt, WWЧжу.Моделирование неопределенностей эфемерид Солнечной системы для робастных гравитационно-волновых поисков с помощью импульсных синхронизирующих матриц . Астрофизический Журнал , 2020; 893 (2): 112 DOI: 10,3847 / 1538-4357 / ab7b67
