Анализ девятилетнего набора данных NANOGrav дает очень жесткие ограничения на распространенность таких сверхмассивных двойных черных дыр во Вселенной. Учитывая текущее понимание ученых о том, как часто галактики сливаются, эти ограничения указывают на меньшее количество обнаруживаемых сверхмассивных двойных черных дыр, чем ожидалось ранее.
Этот результат существенно повлиял на наше понимание того, как галактики и их центральные черные дыры эволюционируют вместе.Низкочастотные гравитационные волны очень трудно обнаружить, их длина составляет несколько световых лет, и они происходят из двойных черных дыр в галактиках, разбросанных по небу. Комбинация всех этих гигантских двойных черных дыр приводит к постоянному «гудению» гравитационных волн, которые, по прогнозам моделей, должны быть обнаружены на Земле.
Астрофизики называют этот эффект «фон стохастической гравитационной волны», и для его обнаружения требуются специальные методы анализа.Пульсары — это ядра массивных звезд, оставшиеся после того, как звезды становятся сверхновыми и излучают импульсы радиоволн во время вращения. Самые быстрые пульсары вращаются сотни раз в секунду и излучают импульс каждые несколько миллисекунд.
Эти «миллисекундные пульсары» (MSP) считаются самыми точными часами в природе и идеально подходят для обнаружения слабого сигнала гравитационных волн. «Это измерение возможно, потому что фон гравитационных волн накладывает уникальную сигнатуру на радиоволны, видимые из набора MSP», — сказал Джастин Эллис, научный сотрудник Эйнштейна в Лаборатории реактивного движения НАСА Калифорнийского технологического института в Пасадене, Калифорния, и его коллега. -автор отчета, опубликованного вчера в Astrophysical Journal.Астрофизики используют компьютерные модели, чтобы предсказать, как часто галактики сливаются и образуют сверхмассивные двойные черные дыры. Эти модели используют несколько упрощающих предположений о том, как развиваются двойные черные дыры, когда они предсказывают силу фона стохастической гравитационной волны.
Используя информацию о слияниях галактик и ограничениях на заднем плане, ученые могут улучшить свои предположения об эволюции двойных черных дыр.Эллис продолжает: «После девяти лет наблюдений за коллекцией MSP мы не обнаружили стохастический фон, но мы начинаем исключать многие прогнозы, основанные на текущих моделях эволюции галактик. гравитационных волн на самом деле улучшает наше понимание эволюции двойной черной дыры ».«Системы измерения времени пульсаров, такие как NANOGrav, делают новые наблюдения за эволюцией и природой нашей Вселенной», — говорит Сара Берк Сполаор, научный сотрудник Янски из Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) в Соккоро, штат Нью-Мексико, и соавтор статьи. .
По словам Сполаора, есть две возможные интерпретации этого отсутствия обнаружения. «Некоторые сверхмассивные двойные черные дыры могут не находиться на круговых орбитах или существенно взаимодействовать с газом или звездами. Это заставит их сливаться быстрее, чем предполагалось в прошлом в простых моделях». Альтернативное объяснение состоит в том, что многие из этих двойных звезд движутся по спирали слишком медленно, чтобы когда-либо испускать обнаруживаемые гравитационные волны.
NANOGrav в настоящее время отслеживает 54 пульсара с помощью телескопа Грин-Бэнк Национального научного фонда в Западной Вирджинии и радиообсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, двух самых чувствительных радиотелескопов на этих частотах. Их массив пульсаров постоянно растет по мере открытия новых MSP. Кроме того, группа сотрудничает с радиоастрономами в Европе и Австралии в рамках Международного массива синхронизации пульсаров, что дает им доступ к большему количеству наблюдений пульсаров.
Эллис считает, что такое повышение чувствительности может привести к обнаружению всего за пять лет.Кроме того, это измерение помогает ограничить свойства космических струн, очень плотных и тонких космологических объектов, которые, по мнению многих теоретиков, эволюционировали, когда Вселенная была всего лишь долей секунды.
Эти струны могут образовывать петли, которые затем распадаются из-за излучения гравитационной волны. Самый консервативный предел NANOGrav на натяжение космической струны является самым строгим пределом на сегодняшний день, и он будет улучшаться по мере продолжения работы NANOGrav.
«Эти новые результаты NANOGrav имеют важнейшее астрофизическое значение», — сказал Скотт Рэнсом, астроном из NRAO в Шарлоттсвилле, Вирджиния. «По мере того, как мы улучшаем наши возможности обнаружения, мы приближаемся к тому важному порогу, когда начинает слышаться космический гул. В этот момент мы сможем проводить совершенно новые типы физических экспериментов в космических масштабах и открывать новые горизонты. новое окно во Вселенную, точно так же, как LIGO только что сделал для высокочастотных гравитационных волн ».NANOGrav — это сотрудничество более 60 ученых из более чем десятка учреждений в США и Канаде, цель которых — обнаружение низкочастотных гравитационных волн, чтобы открыть новое окно во Вселенную.
Группа использует временные наблюдения радиопульсаров для поиска ряби в ткани пространства-времени.В 2015 году Национальный научный фонд выделил NANOGrav $ 14,5 млн на создание и управление центром Physics Frontiers. «Physics Frontier Centres объединяют людей для решения проблем передовых наук, и работа NANOGrav в области физики низкочастотных гравитационных волн является прекрасным примером», — сказал Жан Коттам Аллен, директор программы NSF, курирующий программу Physics Frontiers Center. «Мы довольны их прогрессом и рады видеть, к чему он приведет».
Национальная радиоастрономическая обсерватория — объект Национального научного фонда, управляемый в соответствии с соглашением о сотрудничестве Associated Universities, Inc.