|
Возможное решение загадки гравитационных волн
|
|
|
|
Ученые из Университета Колорадо в Боулдере, возможно, разгадали одну из важнейших загадок, связанных с гравитационно-волновым фоном Вселенной. По словам астрофизика из Калифорнийского университета в Боулдере Джули Комерфорд, так называется рябь в пространстве и времени, которая постоянно перемещается по космосу и "заставляет нас двигаться, как желе".
|
|
|
|
Исследование, опубликованное в журнале Astrophysical Journal, раскрывает новые сведения об эволюции Вселенной, а именно о том, как меньшие галактики могли объединяться в течение миллиардов лет, образуя более крупные и сложные галактики, подобные Млечному Пути.
|
|
|
|
Комерфорд объяснил, что в любой момент времени во Вселенной бесчисленное множество галактик находятся в процессе слияния.
|
|
|
|
В центре каждой из этих галактик находится удачно названная сверхмассивная черная дыра. Когда галактики сливаются, эти черные дыры вращаются друг вокруг друга, описывая круги, пока в конце концов не столкнутся. В результате столкновений в пространстве и времени возникают волны, которые настолько малозаметны, что люди их никогда не ощущают.
|
|
|
|
"Вы можете представить множество людей в бассейне", - сказал Комерфорд, ведущий автор нового исследования и профессор кафедры астрофизики и планетологии Калифорнийского университета в Боулдере. "Все они создают свои собственные волны, и волны накладываются друг на друга. Вот на что похож фон гравитационных волн".
|
|
|
|
|
|
|
В 2023 году несколько международных коллабораций, в том числе эксперимент Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav), сообщили, что им впервые удалось обнаружить фон гравитационных волн.
|
|
|
|
Была только одна проблема: судя по измерениям, проведенным группами, эти волны были намного больше, чем предполагали ученые. Никто не знал почему.
|
|
|
|
В новом исследовании Комерфорд и его соавтор Джозеф Саймон, бывший научный сотрудник CU Boulder, возможно, нашли этому объяснение.
|
|
|
|
Используя наблюдения за реальными галактиками и компьютерное моделирование, команда обнаружила нечто, чего исследователи не учли: когда меньшая по размеру сверхмассивная черная дыра сливается с более крупной, кажется, что меньшая черная дыра набирает большую массу.
|
|
|
|
Эта дополнительная масса имеет значение. Подобно тому, как пловцы гоняют пушечные ядра в бассейне, более крупные сверхмассивные черные дыры порождают более мощные гравитационные волны.
|
|
|
|
"У нас был прогноз относительно того, каким должен быть фон гравитационных волн, и то, что обнаружил NANOGrav, оказалось больше, чем ожидалось", - сказал Комерфорд. "Это была неожиданная и интересная новая головоломка".
|
|
Скачки роста
|
|
|
|
Сверхмассивные черные дыры, как и сами галактики, бывают самых разных размеров. Некоторые из этих небесных объектов действительно огромны, их масса равна миллиардам земных солнц. Другие по-прежнему велики, но немного меньше, и их масса в миллионы раз превышает солнечную.
|
|
|
|
В течение многих лет многие ученые, изучающие гравитационно-волновой фон, не верили, что эти черные дыры меньшего размера имеют значение, сказал Комерфорд. Считалось, что они слишком малы, чтобы внести значимый вклад в изучение гравитационных волн.
|
|
|
|
Комерфорд и Саймон не были в этом так уверены.
|
|
|
|
Отчасти это объясняется тем, что слияние галактик может быть непредсказуемым процессом. Когда две галактики сближаются, газ из этих галактик начинает направляться к сверхмассивным черным дырам в их центрах. Этот газ образует облако в форме пончика за пределами черных дыр, вращающихся по спирали друг вокруг друга. Часть этого газа попадает обратно в черные дыры и в процессе увеличивает их размеры.
|
|
|
|
Но предыдущие расчеты показали нечто удивительное: черные дыры в соединяющейся паре могут расти разными темпами.
|
|
|
|
"Более массивная черная дыра расположена ближе к центру бублика, где не так много газа", - сказал Комерфорд. "Меньшая черная дыра находится дальше, поэтому она ближе к тому месту, где находится газ".
|
|
|
|
Эта разница в темпах роста, или то, что ученые называют "преимущественной аккрецией", может иметь большое значение.
|
|
|
|
В текущем исследовании Комерфорд разработал подробный набор уравнений, отражающих физику слияния галактик. Затем группа скорректировала эти уравнения таким образом, чтобы черные дыры меньшего размера росли на 10% быстрее, чем более крупные.
|
|
|
|
Этого единственного изменения было достаточно, чтобы привести оценки фона гравитационных волн в соответствие с результатами эксперимента NANOGrav.
|
|
|
|
"Сначала они были маленькими, но поскольку маленькие растут быстрее всего, их не следует сбрасывать со счетов", - сказал Комерфорд.
|
|
|
|
Она отметила, что исследование не полностью раскрывает тайну: ее команда предприняла новую попытку понаблюдать за реальными галактиками в процессе слияния, чтобы увидеть, соответствует ли их физика результатам моделирования.
|
|
|
|
По ее словам, эти усилия являются частью более масштабного стремления понять некоторые из самых фундаментальных вопросов о Вселенной. В том числе, как "первичные" галактики на заре Вселенной, которые были крошечными и состояли в основном из газа, могли образовать гигантские черные дыры, существующие сегодня.
|
|
|
|
"Я посвятил свою карьеру изучению сверхмассивных черных дыр, и мы даже не знаем, как они образуются", - сказал Комерфорд.
|
|
|
|
Источник
|
