The Wall Street Journal
США

Судя по ряби в ткани пространства и времени, черная дыра в самом сердце нашей галактики взяла курс на слияние

Гравитационные волны, исходящие от сверхмассивных черных дыр, подобных той, которая находится в центре Млечного Пути, дают ключи к разгадке их судьбы

Сверхмассивные черные дыры по всей Вселенной сливаются друг с другом, и в конечном счете такая же судьба ждет и черную дыру, которая находится в центре нашей галактики.

Эти таинственные космические структуры в сердце почти каждой галактики поглощают свет и материю, и их невозможно рассмотреть с помощью традиционных телескопов.

Но теперь, впервые в истории, астрофизикам удалось получить данные непосредственно от этих титанов, и эта информация поступила в форме гравитационных волн, которые вызывают рябь в ткани пространства и времени. Полученные учеными данные указывают на то, что "популяция" массивных черных дыр, которые сливаются друг с другом, исчисляется сотнями тысяч или, возможно, даже миллионами. Гравитационные волны от этих слияний становятся частью фонового шума Вселенной, который ученые способны обнаружить с Земли.

Выводы, сделанные в результате совместной работы более 100 ученых из разных стран, помогают подтвердить, что однажды произойдет со сверхмассивной черной дырой Стрелец А*в центре нашей галактики, когда она врежется в черную дыру в центре галактики Андромеды.

"Галактика Млечный путь находится на траектории, ведущей к столкновению с галактикой Андромеда, и примерно через 4,5 миллиарда лет эти две галактики должны слиться", - объяснил Джозеф Саймон (Joseph Simon), астрофизик из Колорадского университета в Боулдере и сотрудник Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav), которая помогала в проведении этого нового исследования при поддержке Национального научного фонда.

По его словам, это слияние в конечном счете приведет к тому, что черная дыра в центре Андромеды и Стрельца А* окажется в центре вновь объединившейся галактики, в результате чего возникнет так называемая двойная система. Выводы ученых были изложены в серии статей, опубликованных в среду, 27 июня, в журнале Astrophysical Journal Letters.

"Прежде мы вообще не знали, сливаются ли сверхмассивные черные дыры, а теперь у нас появились доказательства того, что сотни тысяч из них сливаются в настоящий момент", - сказала Кьяра Мингарелли (Chiara Mingarelli), астрофизик из Йельского университета и член NANOGrav.

По словам ученых, результаты нового исследования помогут ответить на вопросы о том, как растут черные дыры и как часто происходит слияние их галактик-хозяев.

"Это один из самых безумных объектов в нашей Вселенной, - сказала Маша Барьяхтар (Masha Baryakhtar), физик из Вашингтонского университета, не принимавшая участия в исследовании. - Пока среди ученых нет консенсуса касательно того, как они вырастают такими большими".

По словам Барьяхтар, если ученые будут лучше понимать историю слияния сверхмассивных черных дыр, это поможет выяснить, как они вообще возникают.

Важным аспектом этих открытий стало обнаружение неуловимых гравитационных волн и понимание того, как они возникают.

Любой движущийся объект, имеющий массу, создает эти волны - невидимое искажение ткани пространства и времени, теорию о существовании которого впервые выдвинул Альберт Эйнштейн в 1916 году и которое было обнаружено спустя почти 100 лет. (Представьте себе ткань пространства и времени в виде туго натянутого батута, по которому катятся тяжелые шары для боулинга.) В 2015 году ученые использовали наземную гравитационно-волновую обсерваторию лазерного интерферометра (LIGO), чтобы определить, как короткие высокочастотные гравитационные волны от одного из слияний менее массивных черных дыр качнули Землю менее чем на ширину одной субатомной частицы. За это открытие ученые получили Нобелевскую премию.

LIGO способна измерять волны от сталкивающихся объектов, таких как нейтронные звезды, которые изменяются в коротких промежутках времени, как объяснила Сара Вигеланд (Sarah Vigeland), физик из Университета Висконсин-Милуоки, которая руководит поисками гравитационных волн для Nanograv.

"Вы получаете этот всплеск гравитационных волн, а потом все заканчивается", – сказала она.

Обсерватория не может обнаруживать низкочастотные гравитационные волны, изменяющиеся в более длинных промежутках времени - от нескольких месяцев до десятилетий, - которые исходят от более массивных объектов. Поэтому группа ученых из NANOGrav, входящая в состав международного консорциума, включающего команды из Европы, Азии и Австралии, решила использовать другой метод для измерения этой ряби в ткани пространства и времени: ученые отслеживали, как эта рябь взаимодействует с излучением остатков звезд, называемых пульсарами.

По словам астрофизика Колумбийского университета Славко Богданова (Slavko Bogdanov), который не участвовал в исследовании, пульсары, в сущности, подобны космическим часам. Эти остатки мертвых звезд быстро вращаются со скоростью сотни раз в секунду, излучая радиоволны через равные промежутки времени, которые можно обнаружить с помощью радиотелескопов на Земле.

Поскольку регулярность этих радиоимпульсов может быть рассчитана с большой точностью, любое отклонение в их приходе на Землю – неважно, запаздывают они или приходят немного раньше, – можно объяснить влиянием гравитационных волн, после чего можно уже рассчитать силу и источник этих самых волн.

По словам Вигеланд, в течение 15 лет команда NANOGrav следила за временем поступления радиоволн от пульсаров в нашей галактике с помощью обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, телескопа Грин-Бэнк в Западной Вирджинии и обсерватории Very Large Array в Нью-Мексико.

"Мы регулярно отслеживаем наши пульсары, примерно раз в месяц", – сказала она, добавив, что они анализировали данные по 68 пульсарам.

Хотя 15 лет могут показаться очень долгим сроком для сбора данных, такой промежуток времени необходим для измерения волнообразных гравитационных волн, исходящих от сверхмассивных черных дыр, как объяснил Саймон. Он добавил, что время прихода импульсов от этих вращающихся звезд, похожих на часы, меняется за десятилетие всего на сотни миллиардных долей секунды.

По словам Богданова, поиски и добавление большего числа пульсаров в рамки исследования сыграет важную роль в повышении точности обнаружения гравитационных волн. По словам Джули Комерфорд (Julie Comerford), астрофизика из Университета Колорадо в Боулдере и члена NANOGrav, во Вселенной есть и другие объекты, производящие гравитационные волны, которые ученым пока не удалось идентифицировать. По ее словам, одним из этих источников может оказаться рябь в ткани пространства и времени, вызванная самим Большим взрывом.

Комерфорд объяснила, что почти 14 миллиардов лет назад ранняя Вселенная имела большую кривизну – в каком-то смысле она была похожа на скомканное одеяло, – а потом она стала расширяться со скоростью света или даже быстрее, распрямляясь и разглаживаясь.

"Вполне возможно, мы наблюдаем остаточные гравитационные волны, возникшие в результате этого процесса", – добавила она.

Автор статьи: Эйлин Вудворд (Aylin Woodward)