Гравітаційні хвилі дозволяють виміряти масу чорних дір і відстежити її зміни
Ми досить часто чуємо про надмасивних чорних дірах, про цих екзотичних космічних об'єктах, які розташовуються в центрі майже кожної великої галактики. І коли звучать фрази про те, що маса тієї або іншої чорної дірки дорівнює стільки-то мільйонів мас Сонця, мимоволі виникає питання, як вченим вдалося виміряти масу чорної діри, яку неможливо побачити безпосередньо і про наявність якої можна судити тільки по вторинним ефектам? Відповідь на це питання міститься у статті, опублікованій в останньому випуску журналу Science. Ця стаття описує нову методику отримання даних про масу та зростанні маси величезних чорних дір на підставі спостережень за гравітаційними хвилями, які проводяться з допомогою радіотелескопів, зокрема, радіотелескопа CSIRO Parkes, що знаходиться в східній частині Австралії.
"Це є першим разом в історії науки, коли ми опинилися в стані використовувати інформацію про гравітаційних хвилях для вивчення одного з найбільш інтригуючих аспектів Всесвіту - чорних дірок, а якщо бути точніше - то для визначення їх мас і динаміки їх зростання" - розповів доктор Рэмеш Бхэт (Dr Ramesh Bha), вчений з університету Кертина (Curtin University), що працює в міжнародному радіоастрономічному центрі ICRAR (International Centre for Radio Astronomy Research), - "За чорними дірами неможливо спостерігати безпосередньо. Але, озброївшись новими потужними інструментами, ми здатні дізнатися про них багато що, використовуючи спостереження за вторинними ефектами від їх впливу. Ми вже довели недостовірність деяких математичних моделей, що описують процеси росту чорних дір, і найближчим часом ми перевіримо інші існуючі теорії на цю тему".
Відповідно до теорії Ейнштейна, гравітаційні хвилі, які спотворюють просторово-часовий континуум, можуть проводитися масивними тілами, що змінюють швидкість і напрямок руху, такими, як дві обертаються навколо один одного масивні чорні діри. Такі "пари" чорних дір можуть утворюватися при злитті або зіткнення галактик. Якийсь час ці чорні діра обертаються один біля одного, а потім зближуються і зливаються в одну величезну чорну діру.
"Коли чорні діра знаходяться на останній стадії обертання, яка передує їх злиття, вони виробляють гравітаційні хвилі на частоті, яку ми може зареєструвати наявними у нас обладнанням" - розповідає доктор Рэмеш Бхэт. Так як зіткнення галактик відбуваються за космічними масштабами часу досить часто, то весь Всесвіт наповнена гравітаційними хвилями від злиття чорних дір, які створюють фон, що нагадує шум від натовпу людей.
Пошук гравітаційних вол здійснювався методом спостереження з допомогою радіотелескопу Parkes за сигналами від 20 пульсарів, невеликих обертових зірок, випромінюючих в навколишній простір радіоімпульси зі строго визначеною частотою прямування. Ці пульсари є самими точними годинами природного походження Всесвіту, а час проходження їх імпульсів може бути виміряний за допомогою обладнання радіотелескопів з точністю до 100 наносекунд.
Коли радіохвилі, які випромінює пульсарами, рухаються крізь викривлене гравітаційними хвилями простір-час, час проходження імпульсів скорочується або подовжується, змінюючи час прибуття імпульсів до Землі. Вимірюючи зміни частоти слідування імпульсів пульсара за дуже тривалий проміжок часу можна приблизно судити про частоті та амплітуді гравітаційних хвиль. А амплітуда гравітаційної хвилі залежить від близькості обертових чорних дір, від їх маси і від деяких інших факторів, при цьому, кожен з факторів можна виділити із загального числа, використовуючи деякі певних характеристики гравітаційних хвиль.
Озброївшись даними, які збиралися протягом майже 20 років у рамках проекту Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), вчені-астрономи знайшли безліч слідів гравітаційних хвиль, що дозволило обчислити деякі їх характеристики. З допомогою цього були перевірені чотири теоретичних моделі, що описують процеси росту чорних дір. Одна модель вже була повністю виключена з-за її недостовірності, а три залишилися потребують додаткової перевірки.