Po 15 rokoch zhromažďovania údajov v experimente veľkosti galaxie vedci prvýkrát „počuli“ neustály zbor gravitačných vĺn vlniacich sa vesmírom – a je to hlasnejšie, než sa očakávalo.

Prelomový objav urobili vedci zo Severoamerického observatória nanohertzových gravitačných vĺn (NANOGrav), ktorí pozorne sledujú hviezdy nazývané pulzary, ktoré fungujú ako nebeské metronómy. Novoobjavené gravitačné vlny – vlnenie v štruktúre časopriestoru – sú najsilnejšie, aké boli kedy namerané: nesú takmer miliónkrát viac energie ako jednorazovo detekované gravitačné vlny zo splynutí čiernych dier a neutrónových hviezd. Prostredníctvom experimentov ako LIGO a Virgo.

Vedci z nanografu uvádzajú v sérii nových článkov, ktoré sa dnes objavujú v Nanografe Astrophysical Journal Letters.

hovorí vedkyňa NANOGrav Chiara Mingarelli, ktorá pracovala na nových zisteniach, kým bola asistentkou výskumného pracovníka v Centre pre výpočtovú astrofyziku (CCA) v New Yorku. „Toto je vôbec prvý dôkaz pozadia gravitačných vĺn. Otvorili sme nové okno pozorovania vesmíru.“

Existencia a formovanie gravitačných vĺn na pozadí – dlhé teoretické, ale neslýchané – ponúka poklad nových pohľadov na dlhotrvajúce otázky, od osudu párov supermasívnych čiernych dier po frekvenciu spájania galaxií.

Nateraz môže NANOGrav merať iba celkové pozadie gravitačných vĺn, nie žiarenie jednotlivých „spevákov“. Ale aj to prinieslo prekvapenia.

„Pozadie gravitačných vĺn je asi dvakrát vyššie, ako som očakával,“ hovorí Mingarelli, teraz odborný asistent na Yale University. „Je to skutočne na vyššom konci toho, čo naše modely dokážu vytvoriť zo supermasívnych čiernych dier.“

Ohlušujúca veľkosť môže byť výsledkom experimentálnych obmedzení alebo ťažších a hojnejších supermasívnych čiernych dier. Existuje však aj možnosť, že silné gravitačné vlny generuje niečo iné, hovorí Mingarelli, ako napríklad mechanizmy predpovedané teóriou strún alebo alternatívne vysvetlenia zrodu vesmíru. „Čo bude ďalej, je všetko,“ hovorí. „Toto je len začiatok.“

Zážitok v celej galaxii

Dostať sa do tohto bodu bolo pre tím NANOGrav už roky výzvou. Gravitačné vlny, ktoré zachytili, sa nepodobajú ničomu predtým nameranému. Na rozdiel od vysokofrekvenčných vĺn detekovaných pozemnými prístrojmi, ako sú LIGO a Virgo, pozadie gravitačných vĺn pozostáva z ultravysokofrekvenčných vĺn. Vzostup a pád vlny môže trvať roky alebo dokonca desaťročia. Keďže gravitačné vlny sa pohybujú rýchlosťou svetla, jednotlivá vlnová dĺžka môže byť desiatky svetelných rokov.

Žiadny experiment na Zemi nedokázal odhaliť také masívne vlny, takže tím NANOGrav sa namiesto toho pozrel na hviezdy. Pozorne sledovali pulzary, ultrahusté pozostatky masívnych hviezd, ktoré prešli supernovou. Pulzary fungujú ako hviezdne majáky, vystreľujúce lúče rádiových vĺn zo svojich magnetických pólov. Pretože pulzary sa otáčajú tak rýchlo (niekedy stokrát za sekundu), tieto lúče sa šíria po oblohe a objavujú sa z našej polohy na Zemi ako rytmické impulzy rádiových vĺn.

Pulzy dopadali na zem ako dokonalý metronóm na meranie času. Načasovanie je také presné, že keď Jocelyn Bell v roku 1967 merala prvé rádiové vlny, astronómovia si mysleli, že by to mohli byť signály z mimozemskej civilizácie.

Keď gravitačná vlna prejde medzi nami a pulzarom, vyhodí časovanie rádiových vĺn. Je to preto, že, ako predpovedal Albert Einstein, gravitačné vlny sa rozťahujú a stláčajú priestor, keď sa vlnia vesmírom, čím menia vzdialenosť, ktorú musia rádiové vlny prekonať.

Už 15 rokov vedci NANOGrav zo Spojených štátov a Kanady načasujú pulzy rádiových vĺn z desiatok milisekúnd pulzarov v našej galaxii pomocou observatória Arecibo v Portoriku, teleskopu Green Bank v Západnej Virgínii a Very Large Array v Novom Mexiku. Nové zistenia sú výsledkom podrobnej analýzy skupiny 67 pulzarov.

„Pulzary sú v skutočnosti veľmi slabé rádiové zdroje, takže na uskutočnenie tohto experimentu potrebujeme tisíce hodín ročne na najväčších teleskopoch sveta,“ hovorí Maura McLaughlin z West Virginia University, spoluriaditeľka Physics Frontiers Nanograph Center. „Tieto zistenia sú možné vďaka neustálemu záväzku Národnej vedeckej nadácie (NSF) voči týmto vysoko citlivým rádiovým observatóriám.“

Detekcia pozadia

V roku 2020, s údajmi za viac ako 12 rokov, vedci z NANOGrav začali vidieť náznaky signálu, dodatočného „hučania“ spoločného pre časovanie všetkých pulzarov v poli. Teraz, po troch rokoch ďalších pozorovaní, nazhromaždili hmatateľné dôkazy o existencii pozadia gravitačných vĺn.

„Teraz, keď máme dôkazy o gravitačných vlnách, ďalším krokom je použiť naše pozorovania na štúdium zdrojov, ktoré produkujú tento bzukot,“ hovorí Sarah Vigeland z University of Wisconsin-Milwaukee, predsedníčka pracovnej skupiny NANOGrav Detection Working Group.

Najpravdepodobnejšími zdrojmi pozadia gravitačných vĺn sú páry supermasívnych čiernych dier zachytených v špirále smrti. Tieto čierne diery sú skutočne masívne a obsahujú miliardy slnečnej hmoty. Takmer všetky galaxie, vrátane našej vlastnej Mliečnej dráhy, majú vo svojom jadre aspoň jednu obrovskú galaxiu. Keď sa dve galaxie spoja, supermasívne čierne diery sa môžu stretnúť a začať okolo seba obiehať. Postupom času sa ich obežné dráhy zužujú, pretože plyn a hviezdy prechádzajú medzi čiernymi dierami a kradnú energiu.

Nakoniec sa supermasívne čierne diery dostanú tak blízko, že krádež energie prestane. Niektoré teoretické štúdie už desaťročia tvrdia, že čierne diery sa potom zrútia na neurčito, keď sú od seba oddelené parsekom (asi tri svetelné roky). Táto teória blízkosti, ale nie cigary sa stala známou ako problém posledného parseku. V tomto scenári vedú k zlúčeniu iba zriedkavé kombinácie troch alebo viacerých supermasívnych čiernych dier.

Páry supermasívnych čiernych dier však môžu mať trik v rukáve. Môžu vyžarovať energiu ako silné gravitačné vlny, keď obiehajú okolo seba, až kým sa nakoniec nezrazia v katastrofickom závere. „Akonáhle sa dve čierne diery dostanú dostatočne blízko na to, aby ich mohli vidieť časovacie polia pulzaru, nič ich nemôže zastaviť v tom, aby sa za pár miliónov rokov spojili,“ hovorí Luke Kelley z Kalifornskej univerzity v Berkeley, vedúci skupiny astrofyziky NANOGrav.

Zdá sa, že existencia pozadia gravitačných vĺn, ktoré našiel NANOGrav, podporuje túto predpoveď, ktorá by mohla ukončiť nedávny problém parseku.

Pretože páry supermasívnych čiernych dier vznikajú splynutím galaxií, ich množstvo gravitačných vĺn pomôže kozmológom odhadnúť, ako často sa galaxie v histórii vesmíru zrážajú. Mingarelli, postdoktorandka Deborah C. Judd z CCA a University of Connecticut a kolegovia študovali intenzitu pozadia gravitačných vĺn. Odhadujú, že státisíce alebo možno milión alebo viac supermasívnych dvojhviezd čiernych dier obývajú vesmír.

alternatívne zdroje

Nie všetky gravitačné vlny detekované NANOGravom sú nevyhnutne z párov supermasívnych čiernych dier. Ďalšie teoretické návrhy tiež predpovedajú vlny vo veľmi nízkom frekvenčnom rozsahu. Teória strún napríklad predpovedá, že v ranom vesmíre sa mohli sformovať jednorozmerné chyby nazývané kozmické struny. Tieto struny môžu rozptýliť energiu vyžarovaním gravitačných vĺn. Ďalším návrhom je, že vesmír nezačal Veľkým treskom, ale skôr Veľkým odrazom, v ktorom sa negatívny vesmír zrútil do seba a potom sa roztiahol smerom von. V takomto príbehu o pôvode by sa gravitačné vlny z nehody stále vlnili priestoročasom.

Existuje tiež možnosť, že pulzary nie sú dokonalé detektory gravitačných vĺn, za ktoré si vedci myslia, a že namiesto toho môžu mať nejakú neznámu asymetriu, ktorá skresľuje výsledky NANOGrav. „Nemôžeme ísť k pulzaru a znova ho zapnúť a vypnúť, aby sme zistili, či niečo nie je v poriadku,“ hovorí Mingarelli.

Tím NANOGrav dúfa, že pri ďalšom sledovaní pulzarov preskúma všetkých možných prispievateľov k novoobjavenému pozadiu gravitačných vĺn. Skupina plánuje rozložiť pozadie na základe frekvencie vĺn a ich pôvodu na oblohe.

medzinárodné úsilie

Našťastie tím NANOGrav nie je vo svojom pátraní sám. Niekoľko dokumentov, ktoré dnes zverejnila spolupráca využívajúca teleskopy v Európe, Indii, Číne a Austrálii, poukazuje na rovnaké signály pozadia gravitačných vĺn v ich údajoch. Prostredníctvom konzorcia International Pulsar Timing Matrix združujú jednotlivé skupiny svoje údaje, aby lepšie charakterizovali signál a identifikovali jeho zdroje.

„Naše kombinované údaje budú ešte výkonnejšie,“ hovorí Stephen Taylor z Vanderbilt University, ktorý spoluviedol nový výskum a v súčasnosti predsedá spolupráci NANOGrav. „Sme nadšení, že objavíme tajomstvá, ktoré odhalia o našom vesmíre.“