Столкновения галактик изучили по сигналам пульсаров

В статье, опубликованной в Astrophyscal Jounal, астрономы из консорциума NANOGrav подвели итоги девятилетним исследованиям стохастических (случайных) сигналов гравитационного фона, полученных с помощью тайминга пульсаров. Этот фон порождён гравитационными волнам от пар сверхмассивных черных дыр (СМЧД), вращающихся в центрах сливающихся галактик. Изучение статистики по двойным СМЧД поможет лучше понять процессы формирования галактик от Большого Взрыва до наших дней.

Консорциум NANOGrav, куда входят астрофизики из США, Канады, Германии Голландии и Китая, опубликовал новые результаты регистрации и анализа радиоимпульсов 37 специально отобранных пульсаров, который называется pulsar timing array. Наблюдения за ними длились с 2004 по 2013 год. Эти импульсы можно использовать для регистрации гравитационных волн: если волна проходит между пульсаром и Землей, то время прихода сигналов будет меняться. Это изменение крайне незначительно и намного меньше колебаний периодов, вызванных другими факторами, как, например, собственное торможение пульсара, задержки сигналов разных частот из-за взаимодействия с межзвездной средой, движения пульсара относительно Солнца или движение Земли по Солнечной орбите. Однако, в математической модели, используемой учеными, все эти факторы были учтены и убраны из полученных сигналов. 

Объединенные данные массива пульсаров особенно чувствительны к низкочастотным гравитационным волнам, испущенным парами СМЧД на расстоянии около 7 миллиардов световых лет от нас, то есть мы их видим во время, когда Вселенная была в два раза моложе, чем сейчас. Подобные пары чёрных дыр, массами до десяти миллиардов солнечных каждая, согласно современной иерархической модели, образуются при столкновении молодых галактик в процессе их эволюции.

Несмотря на то, что гравитационные сигналы обнаружены не были, результаты многолетних исследований дали важные ограничения на количество двойных СМЧД, а значит и на темп слияния галактик в молодой Вселенной. Кроме того, отсутствие сигнала позволило исключить ряд моделей по взаимодействию черных дыр при слиянии галактик.

Один из соавторов статьи, Джастин Эллис из Калифорнийского технологического института, говорит: «Мы сейчас находимся на такой стадии, когда отсутствие гравитационных сигналов на самом деле улучшает наше понимание процессов эволюции двойных черных дыр». По его словам причиной «гравитационного молчания» могут быть, например, эллиптические (а не круговые) орбиты черных дыр или их сильное взаимодействие с окружающим газом и звездами (в этом случае они быстрее теряют свой угловой момент и сливаются, а значит и общее число в каждый момент жизни Вселенной меньше, а гравитационный фон слабее). Другой причиной могут быть наоборот – слишком устойчивые орбиты, когда черные дыры вращаются вокруг общего центра массы миллиарды лет, почти не излучая гравитационных волн.

Слияние СМЧД — одно из следствий общепринятой иерархической модели образования галактик. Она предсказывает, что на первом этапе идёт слияние частиц темной материи в массивные облака, которые начали притягивать барионное (обычное) вещество. Это вещество разгонялось, разогревалось и сформировало несколько областей притяжения, которые стали центральными галактиками скоплений. Последующий рост плотности барионной материи привел к появлению неусточивости Джинса и образованию первых звезд. В центре большинства галактик находится сверхмассивная черная дыра, причины образования которой до сих пор вызывают споры.

Консорциум NANOGrav (Североамериканская наногерцовая обсерватория по изучению гравитационных волн) имеет доступ к двум самым чувствительным наземным радиотелескопам для хронометрирования (тайминга) пульсаров – стометровому телескопу Green Bank в США и гигантскому трехсотметровому телескопу Аресибо в Пуэрто-Рико. Консорциум поддерживается национальными научными фондами Канады и США и недавно получил грант размере 6,8 миллионов долларов на проведение дальнейших работ.

Марат Мусин