Помимо единичных гравитационных волн, иногда фиксируемых детекторами, существует также почти постоянный фон, который достаточно трудно заметить. Недавно ученые предположили, что его источником являются события, происходящие с миллиардами черных дыр в центрах галактик.
Как образуются гравитационные волны?
Ученые из Университета Колорадо в Боулдере, возможно, разгадали насущную загадку о гравитационном фоне Вселенной. Так называются волны в пространстве и времени, которые постоянно движутся по космосу и, по словам астрофизика из Университета Колорадо в Боулдере Джули Комерфорд, трясут нас почти как желе.
Исследование, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal, открывает новые представления об эволюции Вселенной, а именно о том, как меньшие галактики могли сливаться в течение миллиардов лет, образуя более крупные и сложные объекты, такие как Млечный Путь.
Комерфорд объяснила, что в любой момент времени во Вселенной бесчисленное количество галактик находится в процессе слияния.
В центре каждой из этих галактик находится сверхмассивная черная дыра, которая имеет соответствующее название. Когда галактики сливаются, эти черные дыры вращаются друг вокруг друга, кружа, пока в конце концов не сталкиваются. В результате столкновений в пространстве и времени образуются волны, которые настолько слабы, что люди их никогда не чувствуют.
«Представьте большое количество людей в бассейне, — сказала Комерфорд, главный автор нового исследования и профессор кафедры астрофизических и планетных наук в Университете Колорадо в Боулдере. — Все они создают свои собственные волны, и эти волны перекрываются. Вот так и выглядит гравитационный волновой фон».
Загадка фона гравитационных волн
В 2023 году несколько международных коллабораций, в частности, эксперимент Североамериканской обсерватории наногерцовых гравитационных волн (NANOGrav), сообщили, что впервые обнаружили фон гравитационных волн.
Был только один нюанс: эти волны были намного больше, чем оценивали ученые. Никто не знал, почему.
В новом исследовании Комерфорд и ее соавтор Джозеф Саймон, бывший постдокторант Калифорнийского университета в Боулдере, вероятно, нашли объяснение этому явлению. Используя наблюдения реальных галактик и компьютерное моделирование, команда обнаружила аспект, который ранее не учитывали исследователи: во время слияния двух сверхмассивных черных дыр меньшая из них, похоже, может существенно увеличивать свою массу.
«У нас было предвидение относительно того, каким должен быть фон гравитационных волн, и то, что обнаружил NANOGrav, превзошло наши ожидания, — сказала Комерфорд. — Это был сюрприз и новая интересная головоломка, которую нужно было разгадать».
Неравномерность роста черных дыр
«Сверхмассивные черные дыры, как и сами галактики, бывают самых разных размеров. Некоторые из этих небесных объектов действительно гигантские, с массой, равной миллиардам земных солнц. Другие все еще большие, но немного меньше, с массой в миллионы раз превышающей массу Солнца. В течение многих лет многие ученые, изучавшие гравитационный волновый фон, не верили, что эти меньшие черные дыры имеют значение, — сказала Комерфорд. — Считалось, что они слишком малы, чтобы внести весомый вклад в гравитационный волновой фон».
Частично это объясняется тем, что слияние галактик может быть сложным явлением. Когда две галактики сближаются, газ из них начинает направляться к сверхмассивным черным дырам в их центрах. Этот газ образует облако в форме бублика за черными дырами, которые спиралеобразно вращаются друг вокруг друга. Часть этого газа возвращается обратно в черные дыры и делает их больше в процессе.
Но предыдущие симуляции показали что-то удивительное: черные дыры в сливающейся паре могут расти не с одинаковой скоростью.
«Более массивная черная дыра расположена ближе к центру бублика, где газа немного, — пояснила Комерфорд. — Меньшая черная дыра находится дальше, поэтому оказывается ближе к области, богатой газом».
Моделирование гравитационного фона
Эта разница в темпах роста или то, что ученые называют «преобладающей аккрецией», может иметь большое значение.
В текущем исследовании ученые разработали подробный набор уравнений, описывающих физику слияния галактик. Впоследствии команда скорректировала эти уравнения так, чтобы меньшие черные дыры росли примерно на 10 % быстрее, чем большие.
Этой единственной настройки было достаточно, чтобы оценки фона гравитационных волн совпадали с измерениями эксперимента NANOGrav.
«Сначала они маленькие, но именно самые маленькие растут наиболее интенсивно, поэтому их не стоит сбрасывать со счетов», — отметила Комерфорд. Она подчеркнула, что исследование пока не дает исчерпывающего ответа: ее команда уже начала новые наблюдения за реальными галактиками в процессе слияния, чтобы проверить, соответствует ли их физика результатам симуляций. По словам Комерфорд, эти усилия являются частью более широкого стремления понять одни из самых фундаментальных вопросов о Вселенной — в частности, как «первобытные» галактики на заре ее существования, будучи крошечными и преимущественно газовыми, смогли породить гигантские черные дыры, существующие сегодня.
По материалам phys.org
