Глубоко во Вселенной сверхмассивные черные дыры вращаются вокруг друг друга, высвобождая огромное количество энергии, которая движется со скоростью света сквозь ткань тикающих звездных часов. Достаточно ли мы ищем, чтобы уловить их далекий фоновый шепот?
В 2015 году LIGO объявила о первом волновом обнаружении пространства-времени, и с тех пор ученые зафиксировали ~90 гравитационно-волновых событий (35 из которых были анонсированы на прошлой неделе!), в число которых входят слияния двух черных дыр , столкновения двух нейтронных звезд .и соединения черных дыр с нейтронными звездами. Каждый из этих различных источников производит свою собственную частоту гравитационных волн, в зависимости от массы объекта. Например, столкновения между двумя нейтронными звездами очень энергичны и происходят быстро, поэтому они производят высокочастотные волны, но соединения сверхмассивных черных дыр происходят намного медленнее и генерируют гораздо более слабые низкочастотные волны. Точно так же, как вы не можете обнаружить гамма-всплеск с помощью инфракрасного телескопа, вы не можете наблюдать гравитационные волны от двойных сверхмассивных черных дыр с помощью чего-то, предназначенного для изучения столкновений между двойными нейтронными звездами. Здесь пригодятся матрицы измерения пульсарного времени.
Детектор гравитационных волн размером с галактику
Пульсарии представляют собой очень плотные, быстро вращающиеся нейтронные звезды, испускающие радиоизлучение, которое пересекает луч нашего зрения, как маяк, когда звезда вращается. Пульсары невероятно периодичны и конкурируют с атомными часами по точности, поэтому мы можем точно сказать, когда придет импульс. Временные матрицы пульсаров представляют собой наборы миллисекундных пульсаров на небе, которые отслеживаются на предмет изменений прихода их импульсов. Потому что они разбросаны по всей галактике, пульсары в основном являются детекторами гравитационных волн размером с галактику. Если между нами и пульсаром есть гравитационная волна, то это будет видно, когда придет импульс, потому что расстояние между пульсарами будет незначительно меняться по мере того, как пространство растягивается и сжимается волной.
Целью поиска гравитационных волн является не только их обнаружение, но и их характеристика. Прохождение гравитационной волны изменяет время прихода сигналов пульсара характерным образом, который можно описать так называемой кривой Хеллингса-Дауна. Получая несколько значений времени прибытия сигналов пульсаров по всему небу, астрономы могут искать следы этой кривой и использовать ее для характеристики источника гравитационных волн.
Охота на Hellings-Downs
Но это легче сказать, чем сделать! Гравитационные волны, которые можно обнаружить с помощью временных матриц, невероятно слабы, поэтому для идентификации этих неуловимых сигналов требуется огромное количество данных. Однако недавно Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (НАНОГрав) обнаружила в своих данных сигнал, который может быть признаком скрытых гравитационных волн.
Хотя обнаружение НАНОграв может быть долгожданным сигналом от этих фоновых гравитационных волн, нельзя исключать, что это шумы в данных, такие как пыль в межзвездной среде или некоторые пульсарные явления, которые слегка изменяют период вращения. Для подтверждения результатов, полученных НАНОгравом, ученым необходимы независимые наблюдения кривой Хеллингса-Дауна другой группой.
Недавно команда Parkes Pulsar Timing Array под руководством Бориса Гончарова (Технологический университет Суинберна, Австралия) решила поискать эти сигналы в собственных данных, чтобы посмотреть, смогут ли они проверить результаты, полученные НАНОГрав. Используя телескоп Паркса в Австралии, команда измерила время прихода сигналов 26 пульсаров за период до 15 лет. Они сделали байесовский анализ.на пульсарах и смоделировали сигналы в их данных. То, что они обнаружили, согласуется с тем, что обнаружил НАНОГрав: низкочастотный сигнал, общий для всех пульсаров. Они также обнаружили, что амплитуда гравитационной волны соответствует амплитуде НАНОграв. Гончаров и его коллеги смогли исключить несколько альтернативных объяснений, которые могли бы имитировать сигнал гравитационных волн, но не смогли окончательно связать наблюдаемые ими низкочастотные биения с гравитационными волнами, исходящими от двойных систем сверхмассивных черных дыр. Хотя это некоторый признак, они не нашли никаких доказательств в пользу или против кривой Хеллингса-Дауна.
В настоящее время ведется работа International Pursuit
International по объединению данных телескопов со всего мира для создания единого большого набора данных для поиска гравитационных волн. Благодаря данным NANOGrav, временной матрице Parkes Pulsar Timing Array, а совсем недавно — European Pulsar Timing Array, мы можем быть очень близки к тому, чтобы услышать шепот сверхмассивных черных дыр.