Крім одиничних гравітаційних хвиль, які часом фіксують детектори, існує також майже постійний фон, який достатньо важко помітити. Нещодавно вчені припустили, що його джерелом є події, які відбуваються з мільярдами чорних дір у центрах галактик.
Як утворюються гравітаційні хвилі?
Вчені з Університету Колорадо в Боулдері, можливо, розгадали нагальну загадку про гравітаційний фон Всесвіту. Так називаються хвилі у просторі й часі, які постійно рухаються космосом і, за словами астрофізикині з Університету Колорадо в Боулдері Джулі Комерфорд, трусять нас майже як желе.
Дослідження, опубліковане в журналі The Astrophysical Journal, відкриває нові уявлення про еволюцію Всесвіту, а саме про те, як менші галактики могли зливатися протягом мільярдів років, утворюючи більші й складніші об’єкти, такі як Чумацький Шлях.
Комерфорд пояснила, що в будь-який момент часу у Всесвіті незліченна кількість галактик перебуває в процесі злиття.
У центрі кожної з цих галактик є надмасивна чорна діра, яка має відповідну назву. Коли галактики зливаються, ці чорні діри обертаються одна навколо одної, кружляючи, поки врешті-решт не зіштовхуються. У результаті зіткнень у просторі та часі утворюються хвилі, які настільки слабкі, що люди їх ніколи не відчувають.
«Уявіть собі велику кількість людей у басейні, — сказала Комерфорд, головна авторка нового дослідження і професорка кафедри астрофізичних і планетних наук в Університеті Колорадо в Боулдері. — Всі вони створюють свої власні хвилі, й ці хвилі перекриваються. Ось такий вигляд і має гравітаційний хвильовий фон».
Загадка фону гравітаційних хвиль
У 2023 році кілька міжнародних колаборацій, зокрема експеримент Північноамериканської обсерваторії наногерцових гравітаційних хвиль (NANOGrav), повідомили, що вперше виявили фон гравітаційних хвиль.
Був лише один нюанс: ці хвилі були набагато більшими, ніж оцінювали науковці. Ніхто не знав, чому.
У новому дослідженні Комерфорд та її співавтор Джозеф Саймон, колишній постдокторант Каліфорнійського університету в Боулдері, ймовірно, знайшли пояснення цього явища. Використовуючи спостереження реальних галактик і комп’ютерне моделювання, команда виявила аспект, який раніше не враховували дослідники: під час злиття двох надмасивних чорних дір менша з них, схоже, може суттєво збільшувати свою масу.
«У нас було передбачення щодо того, яким має бути фон гравітаційних хвиль, і те, що виявив NANOGrav, перевершило наші очікування, — сказала Комерфорд. — Це був сюрприз і нова цікава головоломка, яку потрібно було розгадати».
Нерівномірність зростання чорних дір
«Надмасивні чорні діри, як і самі галактики, бувають найрізноманітніших розмірів. Деякі з цих небесних об’єктів справді велетенські, з масою, що дорівнює мільярдам земних сонць. Інші все ще великі, але трохи менші, з масою в мільйони разів більшою за Сонце. Протягом багатьох років багато науковців, які вивчали гравітаційний хвильовий фон, не вірили, що ці менші чорні діри мають значення, — сказала Комерфорд. — Вважалося, що вони занадто малі, щоб зробити вагомий внесок у гравітаційний хвильовий фон».
Частково це пояснюється тим, що злиття галактик може бути складним явищем. Коли дві галактики зближуються, газ із них починає спрямовуватися до надмасивних чорних дір у їхніх центрах. Цей газ утворює хмару у формі бублика поза чорними дірами, що спіралеподібно обертаються одна навколо одної. Частина цього газу повертається назад у чорні діри та робить їх більшими в процесі.
Але попередні симуляції показали щось дивовижне: чорні діри в парі, що зливається, можуть зростати не з однаковою швидкістю.
«Більш масивна чорна діра розташована ближче до центру бублика, де газу небагато, — пояснила Комерфорд. — Менша чорна діра перебуває далі, тож опиняється ближче до області, багатої на газ».
Моделювання гравітаційного фону
Ця різниця в темпах зростання, або те, що вчені називають переважною акрецією, може мати велике значення.
У поточному дослідженні науковці розробили детальний набір рівнянь, які описують фізику злиття галактик. Згодом команда скоригувала ці рівняння так, щоб менші чорні діри зростали приблизно на 10 % швидше, ніж більші.
Цього єдиного налаштування було достатньо, щоб оцінки фону гравітаційних хвиль збігалися з вимірюваннями експерименту NANOGrav.
«Спочатку вони маленькі, але саме найменші зростають найінтенсивніше, тож їх не варто скидати з рахунків», — зазначила Комерфорд. Вона підкреслила, що дослідження поки не дає вичерпної відповіді: її команда вже розпочала нові спостереження за реальними галактиками в процесі злиття, аби перевірити, чи відповідає їхня фізика результатам симуляцій. За словами Комерфорд, ці зусилля є частиною ширшого прагнення зрозуміти одні з найфундаментальніших питань про Всесвіт — зокрема те, як «первісні» галактики на зорі його існування, будучи крихітними й переважно газовими, змогли породити гігантські чорні діри, що існують сьогодні.
За матеріалами phys.org
