Гамма-промені від далеких пульсарів можуть дати змогу знайти злиття надмасивних чорних дір.
Об’єднання надмасивних чорних дір в центрах галактик, що зазнали злиття, наповнює Всесвіт низькочастотними гравітаційними хвилями. Астрономи шукали такі хвилі за допомогою великих радіотелескопів, щоб виявити тонкий вплив цих просторово-часових хвиль на радіохвилі, які випромінюють пульсари в нашій галактиці. Тепер міжнародна група науковців показала, що високоенергетичне випромінювання, зареєстроване гамма-телескопом NASA «Фермі» (Fermi Gamma-ray Space Telescope), також можна використати для такого пошуку. Використання гамма-променів замість радіохвиль дає більш чітке уявлення про пульсари та забезпечує незалежний і додатковий метод виявлення гравітаційних хвиль.
Висновки міжнародної групи науковців, до якої входити також Адитія Партасараті (Aditya Parthasarathy) та Майкл Крамер (Michael Kramer) з Інституту радіоастрономії Макса Планка (Max Planck Institute for RadioAstronomy, MPIfR) в Бонні (Німеччина), опубліковані в Science 7 квітня поточного року.
Море гравітаційних хвиль
У центрі більшості галактик — об’єкта із сотень мільярдів зір, як наш Молочний Шлях — лежить надмасивна чорна діра. Галактики притягуються одна до одної завдяки своїй величезній гравітації, і коли вони зливаються, їхні чорні діри зміщуються до нового центра зоряної системи. Згодом вони зливаються, що спричиняє появу довгих гравітаційних хвиль — відстань між двома найближчими гребенями таких хвиль становить сотні трильйонів кілометрів. У Всесвіті багато надмасивних чорних дір, що зливаються, а тому він заповнений морем низькочастотних просторово-часових брижів.
Астрономи десятиліттями шукали ці хвилі, спостерігаючи за імпульсами пульсарів, щільних залишків масивних зір. Пульсари обертаються з надзвичайною регулярністю, і астрономи точно знають, коли очікувати кожен імпульс. Море гравітаційних хвиль, однак, незначно змінюється, коли імпульси прямують на Землю, і точне спостереження за багатьма пульсарами на небі може виявити його присутність. У попередніх пошуках цих хвиль астрономи використовували тільки великі радіотелескопи, які збирають радіохвилі. Але тепер міжнародна група дослідників шукала ці незначні зміни в більш ніж десятирічних даних, зібраних за допомогою космічного гамма-телескопа NASA «Фермі». Аналіз показав, що виявити ці хвилі можна лише за кілька років додаткових спостережень.
Довжина гравітаційної хвилі, або пульсації в просторі-часі, залежить від її джерела, як показано на цій інфографіці. Вченим потрібні різні види детекторів, щоб вивчити якомога більшу частину спектру. Фото з сайту https://phys.org.
«“Фермі” вивчає Всесвіт у гамма-променях, тобто в найенергетичнішому випромінюванні. Ми були здивовані, як добре він знаходить типи пульсарів, які нам потрібні для пошуку цих гравітаційних хвиль — поки що він виявив понад 100», — сказав Метью Керр (Matthew Kerr) , фізик Лабораторії ВМС США у Вашингтоні. «“Фермі” та гамма-промені мають деякі особливі характеристики, які разом становлять дуже потужний інструмент у цьому дослідженні».
Космічні годинники
Електромагнітне випромінювання є різних видів. Низькочастотні радіохвилі можуть проходити крізь деякі об’єкти, натомість високочастотні гамма-промені, стикаючись з речовиною, спричиняють появу «дощу» частинок з високою енергією. Гравітаційні хвилі також охоплюють широкий спектр, і масивніші об’єкти мають тенденцію генерувати більш довгі хвилі.
Неможливо створити детектор, достатньо великий, щоб виявити хвилі довжиною в трильйони кілометрів, які виникають від злиття надмасивних чорних дір, тому астрономи використовують природні детектори, які вони називають синхронний масив пульсара. Це набір мілісекундних пульсарів, які випромінюють як в радіохвилях, так і в гамма-променях. Вони обертаються сотні разів кожну секунду. Як і маяки, ці пучки випромінювання регулярно пульсують, коли вони перетинають Землю. А те, що вони проходять крізь море гравітаційних хвиль, накладає на них відбиток, як слабкий гул від далеких масивних чорних дір.
Це стоп-кадр з візуалізації, що показує гравітаційні хвилі, які випромінюють дві чорні діри майже однакової маси, коли вони обертаються одна навколо одної. Помаранчеві брижі позначають спотворення простору-часу, спричинені масами що швидко обертаються. Ці викривлення поширюються і слабшають, перетворюючись на гравітаційні хвилі (фіолетові). Моделювання було виконано на суперкомп’ютері Pleiades в дослідницькому центрі Еймса NASA. Фото з сайту https://phys.org.
Унікальний зонд
Спочатку пульсари астрономи виявили за допомогою радіотелескопів, а експерименти з синхронізацією пульсарів за допомогою радіотелескопів науковці виконують вже майже два десятиліття. Ці великі тарілки найчутливіші до впливу гравітаційних хвиль, але міжзоряні ефекти ускладнюють аналіз радіоданих. Космос головно порожній, але при перетині величезної відстані між пульсаром і Землею радіохвилі однак зустрічають багато електронів. Так, як призма заломлює видиме світло, міжзоряні електрони заломлюють радіохвилі та змінюють час їхнього приходу до Землі. Енергетичні гамма-промені не мають такого впливу, тому вони забезпечують додатковий і незалежний метод визначення часу приходу імпульса від пульсара.
«Результати “Фермі” вже на 30% кращі, ніж синхронізація радіопульсарів, коли справа доходить до потенційного виявлення фону гравітаційних хвиль», — сказав Партасараті. «Ще п’ять років збору та аналізу даних від пульсарів і з “Фермі” можна буде не турбуватися про всі ці блукаючі електрони».
Застосування методу синхронний масив пульсара на підставі спостережень гамма-пульсарів не був передбачений до запуску «Фермі», але він є новою потужною можливістю для астрофізики гравітаційних хвиль.
«Виявлення фону гравітаційних хвиль за допомогою пульсарів є в межах досяжності, але залишається складним. Незалежний метод, показаний несподівано завдяки “Фермі”, є дивовижною новиною як для підтвердження майбутніх висновків, так і для демонстрації його синергії з радіо експериментами», — підсумував Майкл Крамер, директор MPIfR і керівник наукового відділу фундаментальної фізики в радіоастрономії.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
