Чиара Мингартелли, доцент кафедры физики в Йельском факультете искусств и наук, и ключевой член международной исследовательской группы, занимающейся фундаментальными вопросами о структурных основах Вселенной, утверждает: «Когда чёрным дырам нужно место для столкновения, они предпочитают красивый яркий квазар».
Последние исследования Мингартелли ставят квазары — самые яркие объекты в космосе, подпитываемые газами, падающими в сверхмассивные чёрные дыры — в центр этой работы.
Два года назад Мингартелли и Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) произвели фурор в научном сообществе, представив первые прямые доказательства существования «фонового» поля гравитационных волн во Вселенной. Открытие показало, что гравитационные волны, вызванные медленно сливающимися парами сверхмассивных чёрных дыр, могут быть обнаружены с Земли в фоновом поле низкочастотной энергии.
Методы обнаружения NANOGrav сосредоточены вокруг пульсаров — коллапсировавших ядер массивных звёзд, которые взорвались. Пульсары, вращающиеся с большой скоростью, излучают точно синхронизированные радиосигналы.
В новом исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal, Мингартелли и её коллеги использовали пульсары, чтобы показать, что столкновения чёрных дыр в пять раз чаще происходят в галактиках с квазаром.
Интервью с Чиарой Мингартелли
— Сейчас мы сочетаем традиционную астрономию, которая изучает Вселенную с помощью радиоволн, рентгеновских лучей, оптических волн и многого другого, с гравитационно-волновой астрономией. Это как если бы мы обнаружили, что у нас есть уши, и теперь мы можем слышать Вселенную, а не только смотреть на неё. Гравитационные волны исходят прямо из источника — сливающихся пар сверхмассивных чёрных дыр — и не подвержены влиянию газа и пыли на своём пути к Земле. Это делает их исключительно чистыми зондами экстремальной физики, недоступными никакими другими способами.
— Интересно представить, как эта работа в конечном итоге принесёт пользу обществу. Общая теория относительности Эйнштейна дала нам GPS (спутники глобального позиционирования) примерно через 100 лет, а лазеры, МРТ и Wi-Fi появились благодаря тому, что учёные задавались вопросом «почему», прежде чем кто-либо узнал «зачем». Плюс, представьте, что 100 лет назад кому-то рассказали о GPS — могли ли они даже представить, что мы имеем в виду? Не терпится увидеть, какими будут конечные приложения этой работы.
— Мы считаем, что существует фоновое поле гравитационных волн, состоящее из миллионов медленно сливающихся пар сверхмассивных чёрных дыр. В 2023 году мы нашли доказательства этого, и следующим важным шагом является обнаружение отдельных пар чёрных дыр.
— В этой статье мы прогнозируем, что квазары в пять раз чаще, чем любые другие типы галактик, содержат эти пары чёрных дыр. Мы приходим к выводу, что квазары должны быть приоритетными целями для поиска пар сливающихся сверхмассивных чёрных дыр.
— Моя команда йельских аспирантов и студентов и я в настоящее время используем результаты этой статьи для идентификации целевых галактик, в которых находятся сверхмассивные двойные чёрные дыры. Статья с этими результатами, вероятно, выйдет к концу лета.
— Это первое исследование, в котором статистически ограничены популяции сверхмассивных двойных чёрных дыр путём объединения измерений гравитационно-волнового фона с вариациями квазаров. Оно представляет собой новый подход к характеристике популяции двойных систем.
— Если подтвердится, даже небольшая популяция двойных квазаров может стать основой нашей модели источников гравитационных волн на низких частотах и проложить путь для прямых обнаружений.
— Массивы пульсаров отслеживают ультрастабильные звёзды, называемые пульсарами, которые излучают сигналы, по сути, являющиеся отличными часами.
— Гравитационные волны растягивают и сжимают ткань пространства-времени. Когда пространство-время сжимается, импульсы пульсаров приходят раньше. Когда пространство-время растягивается, импульсы приходят позже. Общее растяжение и сжатие составляет примерно 1 часть из миллиона миллиардов — или размер вируса, делённый на диаметр Земли. Очень мало!
— Тот факт, что мы можем отслеживать эти пульсары в течение многих лет с удивительной точностью — в пределах 100 наносекунд — означает, что мы можем обнаруживать гравитационные волны с интервалами в годы-десятилетия. Это делает массивы пульсаров идеальными инструментами для обнаружения гравитационных волн от сверхмассивных чёрных дыр, поскольку они создают гравитационные волны с такими длинными периодами.
— Но без списка целей мы не сможем локализовать пару сливающихся сверхмассивных чёрных дыр точнее, чем в пределах «ящика ошибок», достаточно большого, чтобы содержать тысячи галактик.
— Ограничение демографических характеристик сверхмассивных двойных чёрных дыр имеет решающее значение для нашего понимания эволюции галактик, роста чёрных дыр, а также гравитационно-волнового фона. Эта работа предоставляет основанную на данных основу для идентификации галактик-хозяев пар сверхмассивных чёрных дыр и закладывает основы для будущих поисков.
Предоставлено Йельским университетом.