Dlaczego naukowcy są tak podekscytowani

29 czerwca cztery oddzielne zespoły naukowców wydały oświadczenie^1–4 Co obiecuje zrewolucjonizować astrofizykę: widzieli silne ślady bardzo długich fal grawitacyjnych zniekształcających galaktykę.

Fale grawitacyjne to zmarszczki w tkaninie czasoprzestrzeni, które powstają, gdy duże masy przyspieszają. Po raz pierwszy wykryto je w 2015 r., ale najnowsze dowody wskazują na „potworne” zmarszczki na długości fal 0,3 parseka (lat świetlnych) lub dłuższych; Fale wykryte do tej pory mają długość od dziesiątek do setek kilometrów.

Tutaj Natura Opisuje, co te monstrualne fale grawitacyjne mogą oznaczać dla naszego rozumienia wszechświata i jak pole mogło ewoluować.

Czym nowo ogłoszone fale grawitacyjne różnią się od tych, które astronomowie już odkryli?

Fale grawitacyjne zostały po raz pierwszy wykryte przez dwa bliźniacze detektory Laser Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w Luizjanie i stanie Waszyngton. Poczuli fale generowane przez dwie czarne dziury, które wpadają na siebie spiralnie i łączą się. LIGO i jego odpowiednik Virgo w Europie zgłosiły od tego czasu dziesiątki podobnych zdarzeń.

Aby uzyskać najnowsze wyniki, autorzy polegali na specjalnych gwiazdach ostrzegawczych zwanych pulsarami milisekundowymi. Zespoły śledziły zmiany odległości między Ziemią a pulsarami milisekundowymi w Drodze Mlecznej na przestrzeni ponad dekady i porównywały sygnały z układów dziesiątek gwiazd ostrzegawczych. Pulsarowe tablice synchronizacyjne (PTA) są wrażliwe na fale o długości 0,3 parseka lub dłuższe.

I chociaż LIGO i Virgo dostrzegają dowody na końcowe etapy poszczególnych zdarzeń fuzji – regularnie rozmieszczone fale pochodzące z jednego określonego kierunku na niebie – cztery kolaboracje PTA do tej pory znalazły jedynie „losowe tło”, ciągłą walkę w przypadkowych kierunkach . Jest to podobne do przypadkowego przepływu wody na powierzchni stawu z powodu deszczu.

Jakie jest pochodzenie fal?

Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem losowego tła obserwowanego przez PTA jest to, że jest ono spowodowane przez wiele par supermasywnych czarnych dziur krążących wokół siebie w sercach odległych galaktyk, mówi Sarah Burke-Spollor, astrofizyk z West Virginia University w Morgantown.

Uważa się, że większość galaktyk zawiera taką monstrualną czarną dziurę o masie milionów lub miliardów mas Słońca. Astronomowie wiedzą, że w historii wszechświata wiele galaktyk się połączyło. Tak więc niektóre galaktyki musiały skończyć z dwiema supermasywnymi czarnymi dziurami, znanymi jako układ podwójny czarnej dziury.

Monstrualne fale grawitacyjne wykryte po raz pierwszy

Naukowcy obliczyli również, że w zatłoczonym centrum takiej galaktycznej fuzji każda czarna dziura również przenieść część swojego pędu do otaczających gwiazd, wyrzucając je z dużą prędkością lub po prostu przeciągając je dookoła. W rezultacie dwie czarne dziury ostatecznie zwolnią i okrążą się nawzajem w odległości około 1 parseka, wyjaśnia Chiara Mingarelli, astrofizyk fal grawitacyjnych na Uniwersytecie Yale w New Haven, Connecticut.

Jednak sparowane czarne dziury, które są znacznie bliżej siebie niż 1 parsek, będą miały swój udział w sygnale PTA. „Muszą być oddzielone o milifarsek, aby emitować wykrywalne fale grawitacyjne” – mówi Mingarelli. Jednak teorie wyjaśniające, jak to się stało, są spekulacjami, a to, czy pliki binarne mogą to zrobić, było kwestią otwartą, znaną jako ostateczny problem parseka. „Jeśli nie rozwiążesz problemu z ostatnim parsekiem, nie dostaniesz żadnych fal grawitacyjnych” – mówi Mingarelli.

Naukowcy będą teraz starać się zweryfikować, czy sygnał PTA rzeczywiście pochodzi z supermasywnych czarnych dziur. Jeśli można to potwierdzić, byłby to dowód na to, że supermasywne czarne dziury mogą w naturze bardzo się do siebie zbliżać.

Wynik ten będzie miał fundamentalne znaczenie, mówi Monica Colby, astrofizyk z Uniwersytetu w Mediolanie-Bicocca we Włoszech, ponieważ pokazuje, że tysiące układów podwójnych czarnych dziur we wszechświecie w jakiś sposób „rozwiązało” problem ostatniego parseka. „Byłoby odkryciem, że taka populacja istnieje”.

Co taka podwójna czarna dziura oznacza dla LISA, planowanego europejskiego detektora kosmicznego?

Pary supermasywnych czarnych dziur, które zbliżą się wystarczająco blisko, aby emitować fale grawitacyjne, w końcu zderzą się i połączą. To dlatego, że same fale grawitacyjne przenosiłyby energię i pęd z czarnych dziur, zamieniając ich orbity w spirale. W ciągu setek do dziesiątek tysięcy lat pary zderzają się.

Jak fale grawitacyjne mogą rozwiązać niektóre z najgłębszych tajemnic wszechświata

Colby twierdzi, że może to być dobra wiadomość dla Laser Interferometer Space Antenna (LISA), trzech sond, które Europejska Agencja Kosmiczna planuje wystrzelić w połowie lat 30. XX wieku.

Gdy czarne dziury obracają się do wewnątrz, częstotliwości fal grawitacyjnych rosną, w niektórych przypadkach wkraczając w widmo czułości LISA. LISA będzie czuła na fale o długości od 3 milionów km do 3 miliardów km — krótsze niż długości fal, które mogą być wykrywane przez PTA, choć wciąż znacznie dłuższe niż te widziane przez detektory naziemne. Tak więc LISA była w stanie zobaczyć wiele z tych połączeń podczas swojej misji.

Fuzje czarnych dziur mogą również pomóc wyjaśnić, w jaki sposób niektóre czarne dziury urosły tak duże: one same są wynikiem wcześniejszych fuzji.

Czy coś innego niż podwójne czarne dziury może wytworzyć losowe tło?

Istnieje mnóstwo dziwnych teorii fizycznych, które przewidują podobne wielokierunkowe tło dla fal pochodzących ze wszystkich kierunków w przestrzeni. Źródła te mogą stanowić część lub nawet większość sygnału. Możliwości obejmują pewne rodzaje ciemnej materii, a nawet kosmiczne struny, hipotetyczne nieskończenie małe defekty w krzywiźnie czasoprzestrzeni. Kosmiczne struny mogą powodować załamania, które mogą ostatecznie pęknąć, wytwarzając fale grawitacyjne.

Jednym z najbardziej ekscytujących alternatywnych wyjaśnień jest tło kosmicznej fali grawitacyjnej, które pochodzi z wczesnego Wszechświata, mówi Burke-Spollor. Teleskopy, które widzą w całym spektrum elektromagnetycznym – od fal radiowych po promienie gamma – mają ograniczone możliwości zaglądania, a zatem i patrzenia w przeszłość. Dzieje się tak dlatego, że na długo przed pojawieniem się galaktyk i gwiazd wszechświat wypełniał nieprzezroczysty zjonizowany gaz. To zaciemnia pogląd astronomów na to, co wydarzyło się we wszechświecie w ciągu mniej więcej pierwszych 400 000 lat.

Ale fale grawitacyjne mogą podróżować przez dowolne medium. W rezultacie wszelkie takie fale generowane od pierwszej chwili po Wielkim Wybuchu mogą nadal być obecne i wykrywalne jako część losowego tła, zapewniając wgląd w ekstremalną fizykę Wielkiego Wybuchu. „To dla mnie niesamowite” — mówi Burke Spollor. — Kto wie, co tam jest.