Къде са липсващите гравитационни вълни?

от Разговорът

- тази публикация с автор Пол Ласки, Университет Монаш и Райън Шанън, CSIRO

Неутронни звезди – мъртвите звездни остатъци от стари, изгорели звезди – са едни от най-екстремните обекти във Вселената. Те тежат колкото цялото Слънце, но са достатъчно малки, за да се поберат в CBD на Сидни и се въртят до 700 пъти всяка секунда. Представете си това: цяла звезда се върти по-бързо от най-бързия кухненски блендер.

Астрономите знаят за няколко хиляди неутронни звезди, но една особено се откроява. Като част от Parkes Pulsar Timing Array, наблюдавахме пулсар J1909-3744 с Радиотелескоп Паркс на CSIRO за 11 години.

През това време сме отчитали всяка една от 116 милиарда завъртания на неутронната звезда (115,836,854,515 15 XNUMX XNUMX, за да бъдем точни). Ние знаем периода на въртене на тази звезда до XNUMX знака след десетичната запетая, което я прави наистина един от най-точните часовници във Вселената.

Но, както показваме в а хартия публикувано днес в списание Science, не е трябвало да бъде така. Гравитационни вълни от всички черни дупки във Вселената е трябвало да разрушат прецизността на времето на този пулсар. Но не са.

Използвахме телескопа Parkes, за да наблюдаваме отблизо пулсар за признаци на преминаване на гравитационни вълни. CSIRO, предоставен от автора

Колосални сблъсъци

Гравитационните вълни се разтягат и стискат пространството, което води до промяна на разстоянието между нас и неутронната звезда. Гравитационните вълни, които търсихме, трябваше да променят това разстояние с около десет метра, малка част, като се има предвид, че тази неутронна звезда е на около 3.6 x 1019 метра от Земята (това е 3.6 с 19 нули след тях)! Но това трябваше да е достатъчно, за да се покаже в нашите измервания.

И все пак фактът, че нашите измервания са толкова точни, ни казва, че нещо не е наред с теорията. Това не означава, че гравитационните вълни не съществуват. Има и други аспекти на нашето разбиране за Вселената, които може да са извън релси.

Каквото и да е решението на този проблем, то със сигурност ще промени начина, по който разбираме най-масивните черни дупки във Вселената.

В центъра на нашата галактика се намира черна дупка, която тежи повече от четири милиона пъти масата на нашето слънце. Но това е лек; други галактики съдържат черни дупки с тегло повече от 17 милиарда пъти масата на нашето Слънце.

И имаме основателна причина да вярваме, че повечето, ако не всички галактики съдържат свръхмасивни черни дупки в ядрата си. Знаем също, че галактиките в цялата Вселена растат, като се сливат една с друга.

След сливането на всякакви две галактики, двете черни дупки от родителските галактики потъват в центъра на дъщерната галактика, образувайки супермасивна двойка черна дупка. В един момент последващата еволюция на двойката става доминирана от излъчването на гравитационни вълни.

Сливащи се галактики, уловени в действие от космическия телескоп Хъбъл. Wikimedia

Пулсации в пространство-времето

Гравитационни вълни са малки вълнички в тъканта на пространство-времето и са пряко следствие от това на Алберт Айнщайн обща теория на относителността. Празнуваме 100-ия му рожден ден през ноември тази година.

Когато всякакви две черни дупки се въртят една около друга, те трябва да излъчват гравитационни вълни. Те пренасят енергия далеч от системата, карайки двете черни дупки да се приближат една до друга.

Сумата от всички двоични супермасивни черни дупки във Вселената трябва да създаде фон от гравитационни вълни (подобно на космически микровълнов фон). Именно този фон се очакваше да разруши нашето прецизно синхронизиране на PSR J1909-3744.

Астрофизиците са направили редица прогнози за силата на фона. Тези прогнози включват най-съвременни измервания на образуването и еволюцията на галактиките, както и най-сложните теоретични модели за това как Вселената се развива след Големия взрив.

Защо няма гравитационни вълни?

Но ние искаме да бъдем много ясни, че нашата липса на откриване не предполагат, че теорията на относителността на Айнщайн е погрешна, нито пък предполага, че гравитационните вълни не съществуват. Въпреки че не знаем истинското решение, имаме редица идеи.

Може би не всяка галактика във Вселената съдържа свръхмасивна черна дупка. Намаляването на частта от галактиките, в които се намират свръхмасивни черни дупки в моделите, намалява прогнозираната амплитуда на фона на гравитационната вълна, което потенциално го прави неоткриваем от нашите наблюдения.

Може би не разбираме връзката между масата на галактиката домакин и масата на черната дупка. Използваме емпирични връзки между масите на галактиката и черната дупка, за да определим последните. Въпреки че вярваме, че те са стабилни в локалната вселена, сливането на черни дупки, ние сме най-чувствителни, за да се случват на милиарди светлинни години от нас, където нашето разбиране за тези емпирични отношения далеч не е пълно.

Може би едно от нашите предположения за процеса, който води до сливания, е твърде опростено. Например, ако центровете на галактиките съдържат значителни количества газ, той може да действа като допълнителна сила на триене, което кара черните дупки да се слеят една с друга по-бързо от очакваното. Това също би причинило по-малка от очакваната амплитуда на фона на гравитационната вълна.

В момента всеки от тези сценарии е еднакво правдоподобен. Продължаващите наблюдения на пулсари, както и наблюденията на далечната Вселена с големи оптични телескопи, може скоро да ни позволят да направим разлика между тези идеи. И един ден може най-накрая да намерим преките доказателства за съществуването на гравитационни вълни, които търсим.

Пол Ласки, постдокторант по астрофизика на гравитационните вълни, Университет Монаш и Райън Шанън, научен сътрудник, Международен център за радиоастрономически изследвания, Университет Къртин, CSIRO

Тази статия е публикувана първоначално на Разговорът, Прочетете оригиналната статия.