Co kryje się w tykaniu kosmicznych zegarów?

Głęboko we Wszechświecie supermasywne czarne dziury wirują wokół siebie, wydzielając ogromną ilość energii, która przemieszcza się z prędkością światła przez tkaninę tykających gwiezdnych zegarów. Czy szukamy wystarczająco długo, aby wychwycić ich odległy szept tła?

W 2015 roku LIGO ogłosiło pierwszą detekcję falowania czasoprzestrzeni, a od tego czasu naukowcy wykryli ~90 zdarzeń związanych z falami grawitacyjnymi (35 z nich ogłoszono w minionym tygodniu!), na które składają się złączenia dwóch czarnych dziur, zderzenia dwóch gwiazd neutronowych oraz złączenia czarnych dziur z gwiazdami neutronowymi. Każde z tych różnych źródeł wytwarza swoją własną częstotliwość fal grawitacyjnych, zależną od masy obiektu. Na przykład, zderzenia dwóch gwiazd neutronowych są bardzo energetyczne i zachodzą szybko, więc wytwarzają fale o wysokiej częstotliwości, ale złączenia supermasywnych czarnych dziur zachodzą znacznie wolniej i generują znacznie słabsze fale o niskiej częstotliwości. Podobnie jak nie można wykryć wybuchu promieniowania gamma za pomocą teleskopu na podczerwień, tak nie można zaobserwować fal grawitacyjnych z podwójnych supermasywnych czarnych dziur za pomocą czegoś, co jest przeznaczone do badania zderzeń podwójnych gwiazd neutronowych. Tutaj z pomocą przychodzą macierze pomiarów czasów pulsarów.

Detektor fal grawitacyjnych wielkości galaktyki
Pulsary to bardzo gęste, szybko rotujące gwiazdy neutronowe, emitujące promieniowanie radiowe, które przecina naszą linię widzenia niczym latarnia morska, gdy gwiazda wiruje. Pulsary są niesamowicie okresowe i konkurują z zegarami atomowymi pod względem precyzji, więc możemy dokładnie powiedzieć, kiedy nadejdzie impuls. Macierze czasowe pulsarów to zbiory pulsarów milisekundowych na całym niebie, które są monitorowane pod kątem zmian w czasie nadejścia ich pulsów. Ponieważ są one rozproszone po całej Galaktyce, pulsary są w zasadzie detektorami fal grawitacyjnych wielkości galaktyki. Jeżeli pomiędzy nami a pulsarem pojawi się fala grawitacyjna, będzie ona widoczna w czasie nadejścia impulsu, ponieważ odległość pomiędzy pulsarami zmieni się nieznacznie, gdyż przestrzeń zostanie rozciągnięta i ściśnięta przez falę.

W poszukiwaniu fal grawitacyjnych celem jest nie tylko ich wykrycie, ale również scharakteryzowanie. Przejście fali grawitacyjnej zmienia czas dotarcia sygnałów z pulsarów w charakterystyczny sposób, który można opisać za pomocą czegoś, co znane jest jako krzywa Hellingsa-Downsa. Uzyskując wiele czasów dotarcia sygnałów z pulsarów na całym niebie, astronomowie mogą szukać śladów tej krzywej i wykorzystać ją do scharakteryzowania źródła fal grawitacyjnych.

Polowanie na Hellings-Downs
Ale łatwiej powiedzieć niż zrobić! Fale grawitacyjne, które mogą być wykryte przez macierze pomiaru czasu są niewiarygodnie słabe, więc potrzebna jest olbrzymia ilość danych, aby zidentyfikować te nieuchwytne sygnały. Ostatnio jednak, North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) znalazło sygnał w swoich danych, który może być oznaką czających się fal grawitacyjnych.

Podczas gdy detekcja NANOGrav może być długo oczekiwanym sygnałem z tych fal grawitacyjnych w tle, nie można wykluczyć, że jest to szum w danych, taki jak pył w ośrodku międzygwiazdowym lub pewne zjawiska w pulsarach, które zmieniają nieznacznie okres rotacji. Aby potwierdzić wyniki uzyskane przez NANOGrav, naukowcy potrzebują niezależnych obserwacji krzywej Hellingsa-Downsa wykonanych przez inną grupę.

Ostatnio zespół Parkes Pulsar Timing Array, prowadzony przez Borisa Goncharova (Swinburne University of Technology, Australia), postanowił poszukać tych sygnałów we własnych danych, aby sprawdzić, czy uda im się zweryfikować wyniki wykonane przez NANOGrav. Używając teleskopu Parkes w Australii, zespół zmierzył czasy dotarcia 26 sygnałów z pulsarów przez okres do 15 lat. Przeprowadzili analizę bayesowską na pulsarach i modelowali sygnały w swoich danych. To, co znaleźli jest zgodne z tym, co znalazł NANOGrav: sygnał o niskiej częstotliwości, który jest wspólny dla wszystkich pulsarów. Znaleźli również amplitudę fali grawitacyjnej zgodną z amplitudą NANOGrav. Goncharov i współpracownicy byli w stanie wykluczyć kilka alternatywnych wyjaśnień, które mogłyby naśladować sygnał fal grawitacyjnych, ale nie udało im się ostatecznie powiązać zaobserwowanych przez nich dudnień o niskiej częstotliwości z falami grawitacyjnymi pochodzącymi z układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur. Chociaż jest to jakaś wskazówka, nie znaleźli dowodów na za lub przeciw krzywej Hellingsa-Downsa.

Międzynarodowy pościg
Obecnie trwają międzynarodowe prace nad połączeniem danych z teleskopów z całego świata w celu stworzenia jednego wielkiego zbioru danych do poszukiwania fal grawitacyjnych. Dzięki danym NANOGrav, Parkes Pulsar Timing Array, a ostatnio European Pulsar Timing Array, możemy być bardzo blisko usłyszenia szeptu supermasywnych czarnych dziur.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
AAS
The Astrophysical Journal Letters

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca macierz czasową pulsara. Źródło: Tonia Klein/NANOGrav

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.