Studimi i ri ngushton më tej kërkimin për çifte të pakapshme të vrimave të zeza

Edhe pse astrofizikantët nuk kanë ndier kurrë sisteme binare të vrimave të zeza supermasive, një detektor me madhësi galaktike i përbërë nga yje të vdekur është i nxehtë në gjurmët e tyre.

Në një studim të ri të udhëhequr nga Universiteti Northwestern, astrofizikantët grumbulluan të dhëna 12.5 vjeçare nga 45 yje të vdekur (të quajtur pulsarë) për të vendosur kufijtë më të mirë deri më tani në nënshkrimet e valëve gravitacionale të emetuara nga çiftet e vrimave të zeza përbindësh. Njohja e këtyre kufijve do t’i ndihmojë astrofizikantët të kufizojnë numrin e binarëve që ekzistojnë në universin e afërt, të konfirmojnë ose mohojnë kandidatët binar ekzistues dhe, një ditë, të zbulojnë valët gravitacionale nga këto çifte komplekse.

Në një zbulim tjetër, studimi zbuloi gjithashtu se kur kërkonin çifte vrimash të zeza supermasive, studiuesit duhet të llogarisin për zhurmën e vazhdueshme të zhurmës së sfondit të bërë nga simfonia e valëve gravitacionale nga të gjitha binarët e vrimave të zeza supermasive në univers.

Studimi, i titulluar “Grupi i të dhënave 12.5-vjeçare NANOGrav: Kufijtë Bayesian në valët gravitacionale nga binarët individualë të vrimave të zeza supermasive”, u pranua nga The Astrophysical Journal Letters dhe do të publikohet këtë verë. Aktualisht është publikuar në serverin e paraprintimit arXiv.

“Ne me të vërtetë mendojmë se zbulimi i një binar të një vrime të zezë supermasive përmes valëve gravitacionale është afër qoshes,” tha Caitlin Witt nga Northwestern, e cila drejtoi studimin.

“Ky do të ishte një zbulim i rëndësishëm për shumë fusha shkencore. Do të na mundësonte të kryenim eksperimente të mëtejshme si testimi i gravitetit për të eksploruar nëse binarët e vrimave të zeza supermasive evoluojnë ashtu siç mendojmë ne dhe do të na mësojë se si t’i kërkojmë ato në të ardhmen. Ne gjithashtu do të jemi në gjendje të shikojmë prapa në kohën kozmike dhe të gjurmojmë historinë e universit në të cilin jetojmë.”

Witt është inaugurues i CIERA-Adler Postdoktoral në Qendrën Northwestern për Eksplorimin dhe Kërkimin Ndërdisiplinor në Astrofizikë (CIERA) dhe Planetariumin Adler.

Të vendosura në qendër të shumicës së galaktikave, vrimat e zeza supermasive mund të jenë disa miliardë herë më shumë se masa e diellit tonë. Krahasuar me vrimat e zeza tipike me masë yjore, të cilat janë 10 deri në 100 herë më të mëdha se dielli ynë, vrimat e zeza supermasive janë jashtëzakonisht gjigande.

Kur dy galaktika – secila me një vrimë të zezë supermasive qendrore – bashkohen së bashku, mund të krijojë një sistem binar të këtyre vrimave të zeza monstruoze.

“Një ditë, galaktika jonë do të përplaset me galaktikën Andromeda,” tha Witt. “Miliona vjet pas kësaj, vrimat e zeza përfundimisht gjejnë njëra-tjetrën për të formuar një sistem të vogël mikesh. Zbulimi i valëve gravitacionale nga sisteme si këto do të na ndihmojë të kuptojmë se si ndërveprojnë galaktikat dhe si evoluon universi.”

Në vitin 2016, një ekip ndërkombëtar i bashkë-drejtuar nga profesoresha Veriperëndimore Vicky Kalogera përdori Observatorin e Valëve Gravitacionale me Interferometër Laser (LIGO) për të zbuluar së pari valët gravitacionale nga bashkimi i dy vrimave të zeza me masë yjore, të cilat rezultuan në valëzime të dukshme dhe jetëshkurtra. në hapësirë-kohë. Por binarët supermasivë të vrimave të zeza janë shumë të mëdha dhe shumë larg njëra-tjetrës për t’i zbuluar pajisjet me bazë në Tokë si LIGO.

Këto çifte përbindësh krijojnë valë aq të gjata saqë mund të duhen vite apo edhe dekada që valët e tyre gravitacionale të shpërndahen plotësisht mbi Tokë. Edhe kur NASA dhe Agjencia Evropiane e Hapësirës lëshojnë LISA (një detektor i valëve gravitacionale të bazuar në hapësirë, për të cilin profesori veriperëndimor Shane Larson është bashkë-hetues) në fillim të viteve 2030, ajo ende nuk do të jetë në gjendje të zbulojë valë kaq të mëdha.

“LIGO mund të zbulojë vetëm gjatësi vale që përshtaten brenda krahëve të tij,” tha Witt. “Ne duhet të kërkojmë për frekuenca shumë më të ulëta të valëve. Ne jemi të ndjeshëm ndaj çifteve të vrimave të zeza supermasive që mund të marrin një muaj apo edhe deri në 15 vjet për të orbituar njëra-tjetrën. Pra, “ne jemi duke kërkuar për një sinjal të qëndrueshëm që mund të përzihet në sfond.”

Për të kapërcyer këtë pengesë, një bashkëpunim ndërkombëtar studiuesish krijoi Observatorin Nanohertz të Amerikës së Veriut për valët gravitacionale (NANOGrav), i cili gjuan valët gravitacionale duke përdorur pulsarët, një lloj ylli neutron me rrotullim të shpejtë i lindur në shpërthimin e supernovës së një ylli masiv në fund. të jetës së saj. Ashtu si një far, një pulsar lëshon një rreze drite që pulson ndërsa rrotullohet.

“Për shkak se pulsarët rrotullohen në mënyrë të qëndrueshme, ne shohim ndezje të vogla drite që shënojnë si një orë,” tha Witt. “Ne e shikojmë atë dritë me teleskopë radio me bazë tokësore. Nëse ora arrin ose pak herët ose pak vonë, kjo është një shenjë se ajo mund të jetë prekur nga një valë gravitacionale.”

NANOGrav gjurmon 75 pulsarë – 45 prej të cilëve u përdorën në këtë studim – të vendosura në të gjithë qiellin e natës. Rrezeve të tyre të dritës nevojiten vetëm milisekonda për t’u dridhur pranë Tokës. Pra, në këtë rast, “pak herët ose pak vonë” mund të nënkuptojë një fraksion të një nanosekondi. Prandaj, teknikat e NANOGrav duhet të jenë tepër të ndjeshme për të kapur këto ndryshime pothuajse të padukshme.

Duke parë në të gjithë qiellin, Witt dhe ekipi NANOGrav kërkojnë modele specifike nga të gjithë pulsarët së bashku. Sipas teorisë, binarët supermasive të vrimave të zeza duhet të lëshojnë valë gravitacionale që fjalë për fjalë shtrihen dhe shtrydhin (ose tendosin) hapësirë-kohën në rrugën e tyre për në Tokë. Hapësira-koha e shtrembëruar do të ndikojë në rrezet e dritës së pulsarëve në një mënyrë të tillë që të tregojë një çift të pakapshëm vrimash të zeza përbindësh.

Por, sigurisht, pulsarët gjenerojnë gjithashtu zhurmën e tyre, e cila mund të turbullojë sinjalet.

“Pulsarët kanë një zhurmë të brendshme të quajtur ‘zhurmë e kuqe’,” tha Witt. “Brendësia e tyre mund të lëkundet ngadalë pak, gjë që ju nuk do të mund ta shihnit nëse nuk po shikonit aq nga afër sa ne. Ajo zhurmë e kuqe duket e ngjashme me zhurmën e valës së gjerë gravitacionale që po kërkojmë. Ne duhet të ngacmoje atë”.

Vitin e kaluar, ekipi NANOGrav publikoi një studim që zbuloi një proces të zhurmës së kuqe në të gjithë pulsarët që ndan të njëjtat karakteristika të përbashkëta. Megjithatë, pa më shumë prova, NANOGrav nuk mund t’ia atribuojë këtë valëve gravitacionale. Në studimin e ri, Witt dhe ekipi i saj zbuluan se kjo zhurmë e kuqe ende duhet të konsiderohet me kujdes në mënyrë që të zbulohen përfundimisht valët gravitacionale nga binarët individualë të vrimave të zeza supermasive.

“Kur një valë gravitacionale bëhet e dallueshme, duket shumë e ngjashme me zhurmën e kuqe në shikim të parë,” tha Witt. “Zhurma e kuqe mund të na mashtrojë. Studimi ynë i ri na thotë se duhet të shikojmë nga afër për të mos u ngatërruar. Kjo do të jetë e rëndësishme për t’u parë kur të zbulojmë më në fund valët gravitacionale.”

Edhe pse NANOGrav ende nuk i ka zbuluar binarët e vrimave të zeza supermasive me valë gravitacionale, punimi i ri i Witt e sjell fushën më afër se kurrë. Duke shfrytëzuar të dhënat 12.5-vjeçare, studiuesit krijuan modele të reja për të llogaritur me saktësi pasiguritë në të dhënat e pulsarit dhe për të zbatuar teknika të reja për të llogaritur zhurmën e kuqe.

Këto modele të reja ofrojnë kufijtë më të ngushtë ende në fuqinë e valëve gravitacionale të emetuara nga çiftet e vrimave të zeza supermasive. Më parë, studiues të tjerë zbuluan binare të mundshme të vrimave të zeza supermasive me teleskopë të bazuar në dritë. NANOGrav përfundimisht mund të konfirmojë se këta kandidatë të mundshëm janë, në të vërtetë, binare supermasive të vrimave të zeza.

“Me metodat tona të reja, ne mund të jemi në gjendje ta konfirmojmë këtë më shpejt,” tha Witt. “Ose, nëse vazhdojmë të mbledhim dhe analizojmë të dhëna, atëherë mund të jemi në gjendje ta përjashtojmë atë si kandidat. Mund të jetë thjesht diçka tjetër e çuditshme që po ndodh në galaktikë.”