Chociaż astrofizycy jak dotąd nie wykryli układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur, detektor wielkości galaktyki złożony z martwych gwiazd jest na ich tropie.
W najnowszym badaniu przeprowadzonym przez naukowców z Northwestern University astrofizycy dokonali analizy 12,5-letniego zbioru danych z 45 "martwych" gwiazd, znanych jako pulsary, w celu ustalenia precyzyjnych granic dla sygnatur fal grawitacyjnych emitowanych przez pary supermasywnych czarnych dziur. Poznanie tych limitów ma zasadnicze znaczenie dla uczonych, którzy chcą oszacować ograniczenia na liczbę układów podwójnych znajdujących się w pobliskim Wszechświecie. Dodatkowo, przyczyni się to do potwierdzenia lub odrzucenia istniejących kandydatów na układy podwójne oraz, w przyszłości, być może i do wykrycia fal grawitacyjnych generowanych przez te skomplikowane pary.
W innym ważnym badaniu stwierdzono również, że aby faktycznie wykryć pary supermasywnych czarnych dziur, trzeba uwzględnić nieustający szum tła generowany przez symfonię fal grawitacyjnych pochodzących z rozmaitych innych układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur obecnych w całym Wszechświecie.
Jesteśmy naprawdę przekonani, że znajdujemy się blisko wykrycia podwójnej supermasywnej czarnej dziury za pomocą fal grawitacyjnych – powiedziała Caitlin Witt z Northwestern, która pełni rolę kierownika projektu. To odkrycie miałoby duże znaczenie dla wielu dziedzin nauki. Pozwoliłoby nam przeprowadzić dalsze eksperymenty, takie jak testowanie grawitacji w celu zbadania, czy supermasywne czarne dziury ewoluują zgodnie z naszymi obecnymi przypuszczeniami, a także nauczyłoby nas, jak je odnajdywać w przyszłych badaniach. Ponadto byłoby możliwe spojrzenie wstecz w kosmicznym czasie i prześledzenie historii Wszechświata, w którym obecnie się znajdujemy.
Zbyt duże, by je wykryć
Znajdujące się w centrum większości galaktyk supermasywne czarne dziury mogą być kilka miliardów razy masywniejsze od naszego Słońca. W porównaniu do typowych, gwiazdowych czarnych dziur, które są od 10 do 100 razy masywniejsze od Słońca, supermasywne czarne dziury są zatem niewyobrażalnie olbrzymie. A kiedy dwie galaktyki – każda z centralną supermasywną czarną dziurą w środku – łączą się ze sobą, może powstać układ podwójny tych monstrualnych obiektów
Pewnego dnia nasza Galaktyka zderzy się z galaktyką Andromedy – mówi Witt. Miliony lat później ich czarne dziury w końcu odnajdą się nawzajem, tworząc mały układ podwójny. Wykrywanie fal grawitacyjnych z takich układów pomoże nam zrozumieć, w jaki sposób galaktyki oddziałują na siebie i jak ewoluuje cały Wszechświat.
W 2016 roku międzynarodowy zespół pod kierownictwem profesor Vicky Kalogera z Northwestern skorzystał z detektorów Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), aby wykryć fale grawitacyjne pochodzące z połączenia dwóch czarnych dziur o masach gwiazdowych. To wydarzenie wywołało wówczas krótkotrwałe i widoczne zakrzywienia w czasoprzestrzeni. Niestety, układy podwójne składające się z supermasywnych czarnych dziur są zbyt rozległe i oddalone od siebie na tyle, że ziemski sprzęt, jakim jest dziś na przykład LIGO, nie jest w stanie ich wykryć. Te ogromne pary czarnych dziur generują fale o tak długim okresie, że mogą minąć lata, a nawet dekady, zanim wywołane nimi fale grawitacyjne dotrą w ogóle do Ziemi. Nawet po uruchomieniu kosmicznego detektora fal grawitacyjnych LISA nie będzie jeszcze możliwe wykrycie tych fal.
LIGO może wykrywać tylko te długości fal, które mieszczą się w jego ramionach – opowiada Witt. Musimy szukać na znacznie niższych częstotliwościach fal. Detektory są wrażliwe na pary supermasywnych czarnych dziur, które mogą potrzebować miesiąca lub nawet 15 lat, aby wzajemnie się okrążyć. Szukamy więc stałego sygnału, który mógłby wtopić się w tło.
Jak zegar
Aby pokonać to wyzwanie, międzynarodowy zespół naukowców stworzył North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). Projekt ten ma na celu wykrywanie fal grawitacyjnych poprzez obserwację pulsarów, czyli szybko wirujących gwiazd neutronowych powstałych w wyniku eksplozji masywnej gwiazdy pod koniec jej życia jako supernowej. Pulsary, podobnie jak latarnie morskie, emitują wiązki światła, które migoczą wskutek ich rotacji. Pulsary wirują przy tym zwykle tak stabilnie, że je jako widzimy małe błyski światła, które tykają niczym zegar. Obserwujemy to światło za pomocą naziemnych radioteleskopów. Jeżeli zegar tyka nieco wcześniej lub nieco później, jest to znak, że mogła na niego wpłynąć na przykład właśnie fala grawitacyjna.
NANOGrav śledzi 75 pulsarów (z których 45 wykorzystano w omawianym badaniu) zlokalizowanych na całym niebie. Ich wiązki światła migają w kierunku Ziemi ze stałym okresem, w ciągu zaledwie milisekund. Tak więc w tym przypadku „trochę za wcześnie lub trochę za późno” może oznaczać ułamek nanosekundy. Dlatego techniki detekcji NANOGrav muszą być niezwykle czułe, aby uchwycić te prawie niezauważalne zmiany.
Obserwując niebo w całości, Witt i zespół NANOGrav poszukują określonych wzorców wśród wszystkich pulsarów jednocześnie. Zgodnie z teorią układy podwójne składające się z supermasywnych czarnych dziur powinny emitować fale grawitacyjne, które wpływają na czasoprzestrzeń, dosłownie rozciągając ją i ściskając w drodze do Ziemi. Zakrzywienie czasoprzestrzeni wpływa na wiązkę światła pulsarów w taki sposób, że pozwala nam wykryć ukrytą parę olbrzymich czarnych dziur.
Czerwony szum może nas oszukać
Problem w tym, że i same pulsary generują również własny szum, który może zakłócić poszukiwane sygnały.
Pulsary wykazują pewien szum zwany „czerwonym szumem” – mówi Witt. Innymi słowy, ich parametry mogą nieznacznie się zmieniać, czego nie można zobaczyć, chyba że patrzy się tak uważnie jak nasz zespół. Ten czerwony szum wygląda podobnie do szerokiego szumu fal grawitacyjnych, którego szukamy. Musimy to rozdzielić.
W 2022 roku zespół NANOGrav opublikował badanie, w którym odkrył występowanie czerwonego szumu we wszystkich pulsarach. Szum ten wykazuje te same wspólne cechy. Jednakże, ze względu na brak dodatkowych dowodów, NANOGrav nie może jednoznacznie przypisać tego zjawiska falom grawitacyjnym. W nowym badaniu z kolei Witt i jej zespół stwierdzili, że konieczne jest dokładne zbadanie tego czerwonego szumu, aby ostatecznie wykryć fale grawitacyjne pochodzące z poszczególnych układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur.
Kiedy fala grawitacyjna staje się wykrywalna, na pierwszy rzut oka wygląda bardzo podobnie do czerwonego szumu – wyjaśnia Witt. Czerwony szum może nas zmylić. Nasze nowe badania mówią więc nam, że musimy uważnie się przyglądać, aby uniknąć tej pomyłki. Będzie to ważne, gdy w końcu wykryjemy fale grawitacyjne.
Choć NANOGrav nie jest jeszcze w stanie wykryć supermasywnych czarnych dziur w układach podwójnych za pomocą fal grawitacyjnych, nowa praca autorstwa Witt daje ważny postęp w tej dziedzinie. Wykorzystując 12,5-letni zbiór danych, naukowcy opracowali nowe modele, które precyzyjnie uwzględniają niepewności związane z pomiarami pulsarów oraz wprowadzili nowe techniki w celu rozpoznawania czerwonego szumu.
Potwierdzenie kandydatek
Najnowsze modele umożliwiają najbardziej precyzyjne jak dotąd oszacowanie mocy fal grawitacyjnych generowanych przez pary supermasywnych czarnych dziur. Już wcześniej inni naukowcy wykryli potencjalne pary takich czarnych dziur za pomocą teleskopów optycznych, ale to właśnie NANOGrav może w końcu potwierdzić, czy są one rzeczywiście parami supermasywnych czarnych dziur.
Dzięki naszym nowym metodom możemy być w stanie potwierdzić to wcześniej – powiedziała Witt. Lub, jeżeli będziemy kontynuować gromadzenie i analizowanie danych, będziemy w stanie wykluczyć to jako kandydata. Może to być po prostu coś innego, coś dziwnego, co dzieje się w Galaktyce.
Praca została zaakceptowana przez The Astrophysical Journal Letters i będzie opublikowana latem 2023 roku.
Więcej informacji:
- Gravitational waves from supermassive black hole binaries might be ‘right around the corner’
- The NANOGrav 12.5-year Data Set: Bayesian Limits on Gravitational Waves from Individual Supermassive Black Hole Binaries
Źródło: Northwestern University
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Kiedy dwie galaktyki posiadające w swoich wnętrzach centralną supermasywną czarną dziurę łączą się ze sobą, mogą stworzyć układ podwójny monstrualnych czarnych dziur. Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda, NASA/Scott Noble
