Poprvé v historii bylo slyšet gravitační vlnové pozadí vesmíru

Foto: Kanenori/Pixabay

Poprvé v historii astronomové detekovali nízkofrekvenční gravitační vlny pomocí antény milisekundových pulsarů v Mléčné dráze o velikosti galaxie. Astronomové poprvé slyšeli slabé hučení gravitačních vln rozléhající se celým vesmírem, píše SPACE.

Téměř deset let vědci hledali pozadí gravitačních vln, slabou, ale trvalou ozvěnu gravitačních vln, o nichž se předpokládá, že byly spuštěny událostmi, které se odehrály krátce po Velkém třesku a sloučení supermasivních černých děr v celém vesmíru. Zatímco o takovém pozadí fyzici dlouho teoretizovali a hledali jej astronomové, signály gravitačních vln, které toto pozadí tvoří, bylo těžké detekovat, protože byly slabé a navíc vibrovaly v desetiletých časových intervalech. Nyní jejich přítomnost konečně potvrdila dlouhodobá pozorování.

Ve středečním (28. června) vysoce očekávaném a globálně koordinovaném vyjádření oznámily týmy vědců z celého světa objev „nízkého hučení“ těchto kosmických vln proudících Mléčnou dráhou.

Zatímco astronomové definitivně nevědí, co je příčinou hučení, detekovaný signál je „přesvědčivým důkazem“ a je v souladu s teoretickými očekáváními gravitačních vln vynořujících se z hojných párů „nejhmotnějších černých děr v celém vesmíru“ vážících až miliardy sluncí, řekl Stephen Taylor, astrofyzik gravitačních vln z Vanderbiltské univerzity v Tennessee, který spoluvedl výzkum.

Náznaky stejného signálu byly oznámeny v sérii článků publikovaných vědci v Číně, Indii, Evropě a Austrálii. Říkají, že signály mohou pocházet ze sloučení supermasivních černých děr, které jsou zachyceny v kosmických tancích, kroužících kolem sebe na drahách, které se v průběhu milionů let zmenšují. Během tohoto procesu uvolňují energii ve formě gravitačních vln, které se ozývají celým vesmírem – vlny, o kterých astronomové nyní říkají, že je detekovali. 

Vědci uvádějí, že pozorovaný hukot gravitačních vln v průběhu času nabyl na významu, což poskytuje vzrušující důkaz, že v příštích několika stovkách tisíc let mohou existovat stovky tisíc nebo dokonce miliony supermasivních černých děr, které se chystají splynout, i když gargantuovské objekty sami ještě nebyli spatřeny.

Kosmické majáky jako detektory gravitačních vln 

K detekci pozadí gravitačních vln astronomové studovali rychle se točící hvězdy zvané milisekundové pulsary, což jsou mrtvé hvězdy, které rotují až 700krát za sekundu s úžasnou pravidelností a odrážejí paprsky světla z jejich magnetických pólů, které jsou vnímány jako „pulsy“. když blikají ve směru Země.

Takové kosmické majáky mohou pomoci odhalit gravitační vlny z černých děr, které jsou supermasivní, miliony až miliardykrát větší než naše Slunce. Pro srovnání, síť Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) dokáže detekovat pouze gravitační vlny pocházející z menších černých děr, které jsou až 10krát hmotnější než Slunce.

Pokud by zející prostor mezi Zemí a pulsary byl absolutně prázdný, pak by světlu z blikajících kosmických hodin trvalo stejnou dobu, než by dosáhlo Země pokaždé, když pulsují naším směrem. Ve skutečnosti je načasování pulsů ovlivněno faktory, jako je plyn a prach v mezihvězdném prostředí a pohyby pulsarů i Země v Mléčné dráze. 

Gravitační vlny také natahují a stlačují časoprostorovou tkaninu mezi námi a pulsary a deformují jejich jinak pečlivě pravidelné pulsy v rozmezí desítek nanosekund až pěti nebo více let, což má za následek, že záblesky světla dorazí dříve nebo později, než je obvyklé.

V novém výzkumu je „kritickým důkazem“, který prozrazuje, že zdrojem signálů jsou supermasivní černé díry, jedinečný vzor nalezený v časech příchodu pulsů z kosmické antény o velikosti galaxie téměř 70 milisekundových pulsarů v Mléčné dráze. Podle konsorcia astronomů známého jako Severoamerická nanohertzová observatoř pro gravitační vlny (The North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav). Signály gravitačních vln z dvojhvězd černých děr se překrývají „jako hlasy v davu“ a vedou k neustálému hučení, které se jako jedinečný vzor vkládá do časových dat pulsaru, říkají vědci.

Vědci tento vzor získali pozorováním paprsků podobných majáku z párů pulsarů. Pomocí různých radioteleskopů, jako je nyní zhroucená observatoř Arecibo v Portoriku, Observatoř Green Bank v Západní Virginii, Karl G., Janského velmi velká soustava v Novém Mexiku a Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) v Kanadě, shromáždili data o načasování těch pulzů každý měsíc po dobu 15 let. Poté vypočítali rozdíl mezi skutečnými časy příchodu pulsů a jejich předpokládanými časy příchodu, což mohli odhadnout do 1 mikrosekundy, srovnatelné s měřením vzdálenosti k Měsíci s přesností na tisícinu milimetru, říkají vědci.

Velmi vyhledávané signály gravitačních vln byly v těchto rozdílech zakotveny, řekl Taylor. Je to poprvé, co vědci našli přesvědčivé důkazy pro takové vzorce nekonzistence vyleptané pozadím gravitačních vln, jejichž účinky na světelné záblesky pulsarů byly předpovězeny Einsteinovou teorií obecné relativity již v roce 1916.

„Jsme mimořádně nadšeni, že tento vzor konečně vyskočí,“ řekl Taylor.

Foto: NANOGrav

Překročení konečného prahu

Vědci vědí, že když se černé díry spojí, jejich gravitace interaguje s blízkými hvězdami, což vyčerpává orbitální energii černých děr a posouvá je stále blíže k bodu, kdy se stanou jedinou černou dírou. Jednoduchý model naznačuje, že poté, co se černé díry dostanou do vzdálenosti 3,2 světelných let od sebe, spojí se vyzařováním gravitačních vln. Jiné modely však naznačují, že černé díry trvají v časovém měřítku delším než samotný vesmír v tom, že se jejich sloučení zastaví, když dosáhnou značky 3,2 světelných let.

„V jednu chvíli se vědci obávali, že supermasivní černé díry v dvojhvězdách budou kolem sebe navždy obíhat a nikdy se k sobě nepřiblíží natolik, aby vytvořily signál jako je tento,“ Luke Zoltan Kelley, který je odborným asistentem na University of California, Berkeley and součástí spolupráce NANOGrav, uvedl v prohlášení.

Takže to, jak tyto černé díry zmenšují svou oběžnou dráhu za tuto vzdálenost a nakonec se spojí, známé jako „problém konečného parseku“, nebylo příliš dobře pochopeno.

„Abychom získali tyto typy vysokých amplitud, které vidíme, potřebujeme poměrně masivní černé díry, které musí poměrně často tvořit dvojhvězdy a vyvíjet se docela efektivně,“ řekl Kelley.

Pokud se objev roztáhne a detekované signály nakonec pocházejí z binárních černých děr, „pak musely tak či onak projít závěrečným parsekem,“ dodal.

Čtyři samostatné studie o objevu pozadí gravitačních vln byly publikovány v The Astrophysical Journal Letters:

The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background
The NANOGrav 15-year Data Set: Observations and Timing of 68 Millisecond Pulsars
Soubor dat NANOGrav za 15 let: Charakteristika detektoru a hlukový rozpočet
Soubor dat za 15 let NANOGrav: Hledání signálů z nové fyziky