Группа астрофизиков из Университета Колорадо в Боулдере предложила объяснение неожиданно высокого уровня фоновых гравитационных волн, обнаруженного международными экспериментами в последние годы. Это исследование проливает свет на длинную историю взаимодействий и слияний чёрных дыр в центрах галактик, что отражает фундаментальные процессы формирования структуры Вселенной.
Что такое фон гравитационных волн
Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, которые возникают при ускоренном движении массивных объектов, таких как чёрные дыры или нейтронные звезды. Когда такие объекты сливаются, они испускают гравитационный сигнал, который распространяется по Вселенной.
Кроме отдельных всплесков, которые регистрируют детекторы вроде LIGO и Virgo, в последние годы международные проекты, в частности NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves), сообщили о постоянном фонe гравитационных волн — слабой, но почти непрерывной «шумовой» компоненте, пронизывающей Вселенную.
Этот фон является суммарным эффектом огромного числа источников, в первую очередь слияний сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик, которые на протяжении миллиардов лет эволюции Вселенной неоднократно сталкивались и объединялись.
Где возникла загадка
Наблюдения NANOGrav и других проектов в 2023 году обнаружили уровень фоновых гравитационных волн, который превышает теоретические ожидания: он оказался значительно выше, чем предсказывали предыдущие модели.
Ученые столкнулись с несостыковкой между измеренным сигналом и оценками, основанными на ранее принятых моделях эволюции чёрных дыр и галактик. Основной вопрос состоял в том, почему полученный фон сильнее, чем ожидалось.
Новое объяснение: «предпочтительное аккрецирование»
Новое исследование предлагает ясное физическое объяснение этому несоответствию, сосредоточив внимание на деталях процесса слияния сверхмассивных чёрных дыр.
Астрофизики проанализировали данные наблюдений и результаты компьютерных симуляций, включив в расчеты эффект, который ранее не учитывали: предпочтительное аккрецирование (preferential accretion) — механизм, при котором меньшие из двух сливающихся чёрных дыр растут быстрее, чем более крупные.
Обычно при слиянии двух галактик их центральные чёрные дыры начинают вращаться вокруг общего центра масс и постепенно сближаются. В течение этого процесса в систему может падать газ, который превращается в аккреционный диск вокруг чёрных дыр. Газ из этого диска может поглощаться чёрными дырами, увеличивая их массу и изменяя динамику слияния.
Исследователи обнаружили, что меньшая чёрная дыра, находящаяся дальше от центра аккреционного диска, получает больше газа, чем более массивная. Это приводит к тому, что она растёт быстрее и становится более массивной, чем ожидалось, прежде чем произойдёт окончательное слияние.
Увеличение массы «вторичной» чёрной дыры делает результат слияния более мощным источником гравитационных волн: чем массивнее объекты, участвующие в слиянии, тем сильнее гравитационные волны, которые они испускают — аналогично тому, как более тяжёлые камни создают более крупные волны при падении в воду.
Как это соотносится с наблюдениями NANOGrav
В рамках исследования команда разработала математическую модель, которая учитывает предпочтительный рост массы менее массивной чёрной дыры на протяжении слияния. Внесение этого механизма в уравнения эволюции галактик позволило упорядочить теоретические оценки фонового уровня гравитационных волн и привести их в хорошее согласие с измерениями NANOGrav.
По словам ведущего автора, Юлии Комерфорд (Julie Comerford), этого одного изменения оказалось достаточно, чтобы устранить рассогласование между прогнозами и фактическими данными.
Исследователи подчёркивают, что это решение не снимает все вопросы — оно лишь устраняет одно важное препятствие на пути к пониманию фонового гравитационного шума. Сейчас они работают над дополнительными наблюдениями сливающихся галактик, чтобы подтвердить, насколько точно модель отражает реальную физику этих процессов.
Почему это важно для космологии
Работа над фоновыми гравитационными волнами — важнейший раздел современной астрофизики, так как этот сигнал даёт информацию о гигантских процессах эволюции во Вселенной, которые невозможно получить другими методами.
Гравитационное волновое фоновое излучение формируется суммарным вкладом миллиардов сливающихся систем сверхмассивных чёрных дыр, которые восходят к ранним эпохам Вселенной и объединяются по мере того, как галактики растут и взаимодействуют.
Изучение этих волн помогает понять:
- как структуры во Вселенной формировались во времени;
- как масса сверхмассивных чёрных дыр изменялась на протяжении космической истории;
- какие процессы привели к сегодняшнему распределению галактик и чёрных дыр.
Последующие шаги
Команда учёных планирует наблюдать реальные галактики на разных стадиях слияния, чтобы проверить, насколько хорошо их модель соответствует реальным данным. Это включает использование телескопов и спектроскопических обзоров для изучения движения и массы чёрных дыр в центрах сливающихся галактик.
Кроме того, результаты исследования являются частью более широкой программы по пониманию того, как малые галактики и их центральные чёрные дыры развиваются в крупные структуры, подобные Млечному Пути. Это также важно для решения другой крупной загадки — происхождения самых массивных чёрных дыр в ранней Вселенной.
Заключение
Предложенное решение загадочного уровня фоновых гравитационных волн основано на новом понимании того, как масса чёрных дыр увеличивается во время слияний, благодаря чему они испускают более мощные гравитационные волны, чем считалось ранее. Это согласует теоретические прогнозы с наблюдениями международных проектов и открывает новый путь к изучению фундаментальных процессов космической эволюции.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
