Коалесцирующие сверхмассивные черные дыры в центрах сливающихся галактик наполняют Вселенную низкочастотными гравитационными волнами. Астрономы искали эти волны с помощью больших радиотелескопов, чтобы обнаружить тонкое влияние этих пространственно-временных пульсаций на радиоволны, излучаемые пульсарами в нашей галактике.
Сейчас международная группа ученых показала, что высокоэнергетический свет, собранный космическим гамма-телескопом НАСА Fermi Gamma-ray, также может быть использован для поиска. Использование гамма-лучей вместо радиоволн позволяет получить более четкое представление о пульсарах и обеспечивает независимый и дополнительный способ обнаружения гравитационных волн.
Результаты исследований международной группы ученых, включая Адитью Партасарати и Михаэля Крамера из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне, Германия, опубликованы в журнале Science на этой неделе.
В центре большинства галактик-скоплений сотен миллиардов звезд, подобных нашему Млечному Пути, - находится сверхмассивная черная дыра. Галактики притягиваются друг к другу своим огромным тяготением, и когда они сливаются, их черные дыры опускаются в новый центр. Когда черные дыры закручиваются внутрь и сливаются, они создают длинные гравитационные волны, которые простираются на сотни триллионов километров между гребнями волн. Вселенная полна таких сливающихся сверхмассивных черных дыр, и они наполняют ее морем низкочастотной пространственно-временной ряби.
Астрономы уже несколько десятилетий ищут эти волны, наблюдая за импульсами пульсаров - плотных остатков массивных звезд. Пульсары вращаются с чрезвычайной регулярностью, и астрономы точно знают, когда ожидать каждого импульса. Однако море гравитационных волн тонко изменяет время прихода импульсов на Землю, и точный мониторинг множества пульсаров по всему небу может выявить его присутствие. Ранее для поиска этих волн использовались исключительно большие радиотелескопы, которые собирают и анализируют радиоволны. Но теперь международная группа ученых ищет эти мельчайшие изменения в более чем десятилетних данных, собранных космическим гамма-телескопом НАСА "Ферми", и их анализ показывает, что обнаружение этих волн возможно всего за несколько лет дополнительных наблюдений.
"Ферми изучает Вселенную в гамма-лучах, самой энергичной форме света. Мы были удивлены тем, насколько хорошо он находит пульсары, которые нам нужны для поиска гравитационных волн - их уже более 100", - сказал Мэтью Керр, физик-исследователь из Военно-морской исследовательской лаборатории США в Вашингтоне. "Гамма-лучи обладают некоторыми особыми характеристиками, которые в совокупности делают их очень мощным инструментом в этом исследовании".
Результаты исследования, проведенного под руководством Керра и Адитьи Партасарати, исследователя из Института радиоастрономии Макса Планка (MPIfR) в Бонне, Германия, были опубликованы в выпуске журнала Science от 07 апреля.
Свет принимает различные формы. Низкочастотные радиоволны могут проходить сквозь некоторые объекты, а высокочастотные гамма-лучи при столкновении с веществом превращаются в ливни энергичных частиц. Гравитационные волны также охватывают широкий спектр, и более массивные объекты, как правило, генерируют более длинные волны.
Невозможно построить достаточно большой детектор для обнаружения триллионно-километровых волн, порождаемых сливающимися сверхмассивными черными дырами, поэтому астрономы используют детекторы естественного происхождения, называемые массивами синхронизации пульсаров. Это коллекции миллисекундных пульсаров, которые светят как радиоволнами, так и гамма-лучами и совершают около сотни оборотов в секунду. Подобно маякам, эти лучи излучения регулярно пульсируют, проносясь над Землей, а когда они проходят через море гравитационных волн, на них отпечатывается слабый гул далеких массивных черных дыр.
Первоначально пульсары были обнаружены с помощью радиотелескопов, и эксперименты по синхронизации пульсаров с радиотелескопами проводятся уже почти два десятилетия. Эти большие тарелки обеспечивают наибольшую чувствительность к воздействию гравитационных волн, но межзвездные эффекты усложняют анализ радиоданных. Космос в основном пуст, но, преодолевая огромное расстояние между пульсаром и Землей, радиоволны все равно сталкиваются с множеством электронов. Подобно тому, как призма изгибает видимый свет, межзвездные электроны изгибают радиоволны и изменяют время их прихода. Энергичные гамма-лучи не подвержены такому влиянию, поэтому они являются дополнительным и независимым методом определения возраста пульсара.
"Результаты Ферми уже на 30% превосходят результаты радиопульсаров, когда речь идет о потенциальном обнаружении гравитационно-волнового фона", - сказал Партасарати. "Еще пять лет сбора и анализа данных о пульсарах - и он станет таким же способным, а еще одним бонусом будет отсутствие необходимости беспокоиться обо всех этих шальных электронах".
Массив синхронизации гамма-пульсаров, который не предполагался до запуска Fermi, представляет собой новую мощную возможность в астрофизике гравитационных волн.
"Обнаружение гравитационно-волнового фона с помощью пульсаров находится в пределах досягаемости, но остается сложной задачей. Независимый метод, неожиданно продемонстрированный здесь благодаря "Ферми", - отличная новость, как для подтверждения будущих находок, так и для демонстрации его синергии с радиоэкспериментами", - заключает Михаэль Крамер, директор MPIfR и глава его исследовательского отдела "Фундаментальная физика в радиоастрономии".