„Pomruk wszechświata”. Astronomowie zarejestrowali nowy typ fal grawitacyjnych?

29 czerwca 2023, 13:06 | Astronomia/fizyka

Astrofizycy korzystający z wielkich radioteleskopów najprawdopodobniej wpadli na ślad fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości, których okres oscylacji liczony jest w latach i dekadach. Takie wnioski płyną z kilku artykułów opublikowanych właśnie w The Astrophysical Journal Letters (1, 2, 3, 4, 5) Sygnał świadczący o obecności fal grawitacyjnych o niskiej częstotliwości znaleziono w danych gromadzonych od lat przez North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). Są to zupełnie inne fale niż znane nam, które zostały odkryte przez obserwatorium LIGO w 2016 roku.

Od 2004 roku NANOGrav obserwuje rozbłyski pulsarów znajdujących się w Drodze Mlecznej. Pulsar to gwiazda neutronowa lub biały karzeł, pozostałość po większej gwieździe. Ma on niewielką średnicę, olbrzymią masę i obraca się wokół własnej osi z niezwykłą regularnością, emitując wiązkę promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie to możemy obserwować, a jako że pulsary charakteryzuje bardzo regularny obrót, możemy traktować je jak niezwykle precyzyjny zegar. Skoro wiązka takiego promieniowania powinna docierać do nas w określonych odstępach czasu, to gdy dotrze zbyt wolno lub zbyt szybko, będziemy mieli dowód, że coś znajdującego się pomiędzy pulsarem a Ziemią zakłóciło promieniowaniu drogę.

Teoria Einsteina pozwala dokładnie przewidzieć, w jaki sposób fale grawitacyjne powinny wpłynąć na docierający do nas sygnał z pulsarów. Ściskając i rozciągając przestrzeń, powinny one w minimalny sposób wpłynąć na czas dotarcia do nas sygnału z różnych pulsarów. W przypadku jednych sygnał zostanie przyspieszony, w przypadku innych – opóźniony. Te zmiany są skorelowane dla wszystkich par pulsarów i zależą od tego, jak odległe od siebie są pulsary w parze.

W badania, które w 2004 roku rozpoczęła niewielka grupa naukowców, stopniowo angażowali się kolejni specjaliści. Obecnie projekt skupia 190 naukowców z USA i Kanady. Początkowo używane przez nich instrumenty i oprogramowanie były zbyt mało czułe i precyzyjne, by cokolwiek wykryć. W końcu w 2020 roku w danych pochodzących z 12 lat zauważono pierwszy „pomruk”, sygnał, których zauważono we wszystkich obserwowanych pulsarach. Przez kolejne lata trwały dalsze obserwacje i analizy mające wykluczyć alternatywne wyjaśnienia dla obserwowanego sygnału. Teraz uczeni są niemal pewni, że wykryli fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości. Nie potrzeba do tego detektorów za miliardy dolarów. Potrzebne są liczne radioteleskopy i długi czas obserwacji, stwierdzają autorzy odkrycia.

Zauważenie takich fal nie jest łatwe. Mimo tego, że mogą mieć one rozmiar większy od Układu Słonecznego. Potrzebne jest tutaj gigantyczny czuły wykrywacz. I właśnie takim wykrywaczem stały się pulsary.

Teraz uczeni z NANOGrav chcą określić, co jest źródłem tego „pomruku”. Jedną z rozważanych możliwości są supermasywne czarne dziury, które krążąc wokół siebie generują fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości. Takie czarne dziury znajdują się w centrach wielkich galaktyk. Gdy takie galaktyki się połączą, dziury trafiają do centrum nowo powstałej galaktyki i krążą wokół siebie jeszcze długo po zderzeniu ich rodzimych galaktyk. Z czasem czarne dziury się połączą, tworząc jedną czarną dziurę oraz generując fale grawitacyjne o wysokiej częstotliwości. Jednak zanim do tego dojdzie, powoli zbliżają się do siebie ściskając i rozciągając przestrzeń, generując fale grawitacyjne o niskiej częstotliwości, która z czasem mogą dotrzeć i do naszej galaktyki.

Takie sygnały grawitacyjne z wielu par czarnych dziur nakładają się na siebie, podobnie jak głosy ludzi w tłumie, tworząc „galaktyczny pomruk”, który wywołuje unikatowy wzorzec sygnałów docierających do nas z pulsarów. I właśnie tego wzorca od niemal 20 lat poszukiwali naukowcy skupieni w NANOGrav.

Przewodniczący zespołu ds. astrofizyki NANOGrav, doktor Luke Kelley z University of California w Berkeley, mówi, że w pewnym momencie naukowcy martwili się, że supermasywne czarne dziury mogą krążyć wokół siebie wiecznie, nigdy nie zbliżając się na tyle, by wygenerować fale grawitacyjne. Teraz w końcu zdobyliśmy dowód, że istnieje wiele takich masywnych i bliskich układów podwójnych. Gdy czarne dziury znajdą się na tyle blisko, by wygenerować sygnał, który możemy obserwować w czasie dotarcia impulsów z pulsarów, nic nie powstrzyma ich przed połączeniem się w ciągu kilku milionów lat.