Yeni çalışma, yakalanması zor canavar kara delik çiftleri arayışını daha da daraltıyor

Astrofizikçiler süper kütleli kara delik ikili sistemlerini hiç algılamamış olsalar da, ölü yıldızlardan oluşan galaksi büyüklüğünde bir detektör peşlerinde.

Northwestern Üniversitesi liderliğindeki yeni bir çalışmada, astrofizikçiler, canavar karadelik çiftlerinden yayılan yerçekimi dalgası imzalarına şimdiye kadarki en iyi sınırları belirlemek için 45 ölü yıldızdan (pulsarlar olarak adlandırılır) 12.5 yıllık verileri sıkıştırdılar. Bu limitleri bilmek, astrofizikçilerin yakın evrende var olan ikili dosyaların sayısını sınırlamasına, mevcut ikili adayları onaylamasına veya reddetmesine ve bir gün bu karmaşık çiftlerden yerçekimi dalgalarını tespit etmesine yardımcı olacaktır.

Başka bir buluşta, araştırma, süper kütleli kara delik çiftlerini ararken, araştırmacıların evrendeki tüm süper kütleli kara delik çiftlerinden gelen yerçekimi dalgalarının senfonisi tarafından yapılan arka plan gürültüsünün sabit uğultusunu hesaba katmaları gerektiğini de buldu.

“NANOGrav 12.5 yıllık veri seti: Bireysel süper kütleli kara delik çiftlerinden yerçekimi dalgaları üzerindeki Bayesian limitleri” başlıklı çalışma, tarafından kabul edildi. Astrofizik Dergi Mektupları ve bu yaz yayınlanacak. Şu anda adresinde yayınlanmaktadır. arXiv ön baskı sunucusu.

Çalışmayı yöneten Northwestern’den Caitlin Witt, “Yerçekimi dalgaları aracılığıyla süper kütleli bir kara delik ikilisinin tespitinin hemen köşede olduğunu düşünüyoruz” dedi.

“Bu, birçok bilimsel alan için önemli bir keşif olacaktır. Süper kütleli kara delik ikililerinin bizim düşündüğümüz şekilde gelişip gelişmediğini keşfetmek için yerçekimini test etmek gibi daha ileri deneyler yapmamızı sağlayacak ve bize gelecekte onları nasıl arayacağımızı öğretecek.” Ayrıca kozmik zamanda geriye dönüp içinde yaşadığımız evrenin tarihini takip edebileceğiz.”

Witt, Northwestern Astrofizikte Disiplinlerarası Keşif ve Araştırma Merkezi’nde (CIERA) ve Adler Planetaryumu’nda ilk CIERA-Adler Doktora Sonrası Araştırmacısıdır.

Algılamak için çok büyük

Çoğu galaksinin merkezinde yer alan süper kütleli kara delikler, güneşimizin kütlesinin birkaç milyar katı olabilir. Güneşimizden 10 ila 100 kat daha büyük olan tipik yıldız kütleli kara deliklerle karşılaştırıldığında, süper kütleli kara delikler akıl almaz derecede devasadır.

Her biri merkezi bir süper kütleli kara deliğe sahip iki galaksi bir araya geldiğinde, bu korkunç kara deliklerden oluşan ikili bir sistem yaratabilir.

Witt, “Bir gün galaksimiz Andromeda galaksisiyle çarpışacak” dedi. “Bundan milyonlarca yıl sonra, kara delikler sonunda küçük bir dost sistem oluşturmak için birbirlerini bulurlar. Bunun gibi sistemlerden gelen yerçekimi dalgalarını tespit etmek, galaksilerin nasıl etkileşime girdiğini ve evrenin nasıl geliştiğini anlamamıza yardımcı olacaktır.”

2016 yılında, Kuzeybatı profesörü Vicky Kalogera tarafından yönetilen uluslararası bir ekip, ilk olarak iki yıldız kütleli kara deliğin birleşmesinden kaynaklanan yerçekimi dalgalarını tespit etmek için Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi’ni (LIGO) kullandı ve bu da bariz, kısa ömürlü dalgalanmalara neden oldu. uzay-zamanda. Ancak süper kütleli kara delik ikili dosyaları, LIGO gibi Dünya tabanlı cihazların algılayamayacağı kadar büyük ve birbirinden çok uzak.

Bu canavar çiftler o kadar uzun dalgalar yaratıyor ki, yerçekimi dalgalarının Dünya’yı tamamen yıkaması yıllar hatta on yıllar alabilir. NASA ve Avrupa Uzay Ajansı, 2030’ların başlarında LISA’yı (Kuzeybatılı profesör Shane Larson’ın yardımcı araştırmacı olduğu uzay tabanlı bir yerçekimi dalgası dedektörü) başlattığında bile, yine de bu kadar büyük dalgaları tespit edemeyecek.

Witt, “LIGO yalnızca kollarının içine sığan dalga boylarını algılayabilir” dedi. “Çok daha düşük dalga frekansları aramalıyız. Birbiri etrafında dönmeleri bir ay, hatta 15 yıl sürebilen süper kütleli kara delik çiftlerine karşı hassasız. Bu nedenle, birbirine karışabilecek sabit bir sinyal arıyoruz.” arka plan.”

Pulsarlar bir saat gibi çalışır

Bu engelin üstesinden gelmek için, araştırmacıların uluslararası bir işbirliği, sonunda büyük bir yıldızın süpernova patlamasından doğan ve hızla dönen bir tür nötron yıldızı olan pulsarları kullanarak yerçekimi dalgalarını avlayan Kuzey Amerika Nanohertz Yerçekimi Dalgaları Gözlemevi’ni (NANOGrav) kurdu. hayatının. Tıpkı bir deniz feneri gibi, bir pulsar da dönerken yanıp sönen bir ışık demeti yayar.

Witt, “Atarcalar çok kararlı döndükleri için, bir saat gibi işleyen küçük ışık parlamaları görüyoruz” dedi. “O ışığı yerdeki radyo teleskoplarıyla izliyoruz. Saatin tik takları biraz erken ya da biraz geç geliyorsa, bu, yerçekimi dalgasından etkilenmiş olabileceğinin bir işaretidir.”

NANOGrav, 45’i bu çalışmada kullanılmış olan 75 atarcayı tüm gece gökyüzünde takip ediyor. Işık ışınlarının Dünya’nın yanından geçmesi yalnızca milisaniyeler sürer. Dolayısıyla, bu durumda, “biraz erken veya biraz geç”, bir nanosaniyenin kesri anlamına gelebilir. Bu nedenle, NANOGrav’ın teknikleri, bu neredeyse algılanamayan değişiklikleri yakalamak için inanılmaz derecede hassas olmalıdır.

Witt ve NANOGrav ekibi, tüm gökyüzüne bakarak birlikte tüm atarcalardan belirli kalıpları arar. Teoriye göre, süper kütleli kara delik ikilileri, Dünya’ya giderken uzay-zamanı tam anlamıyla geren ve sıkıştıran (veya zorlayan) yerçekimi dalgaları yaymalıdır. Bükülmüş uzay-zaman, pulsarların ışık huzmelerini, yakalanması zor bir çift canavar kara deliği gösterecek şekilde etkileyecektir.

‘Kırmızı gürültü bizi kandırabilir’

Ama tabii ki pulsarlar da sinyalleri bulandırabilen kendi seslerini üretirler.

Witt, “Pulsarların ‘kırmızı gürültü’ adı verilen içsel bir sesi vardır” dedi. “İç kısımları yavaşça biraz sallanabilir, bizim kadar yakından bakmadıkça bunu göremezsiniz. Bu kırmızı ses, aradığımız geniş yerçekimi dalgası gürültüsüne benziyor. bunu ayır.”

Geçen yıl, NANOGrav ekibi, aynı ortak özellikleri paylaşan tüm pulsarlarda bir kırmızı gürültü süreci bulan bir çalışma yayınladı. Bununla birlikte, daha fazla kanıt olmadan, NANOGrav bunu yerçekimi dalgalarına bağlayamaz. Yeni çalışmada, Witt ve ekibi, bireysel süper kütleli kara delik çiftlerinden gelen yerçekimi dalgalarını kesin olarak tespit etmek için bu kırmızı gürültünün hala dikkatle değerlendirilmesi gerektiğini buldu.

Witt, “Bir yerçekimi dalgası algılanabilir hale geldiğinde, ilk bakışta kırmızı gürültüye çok benziyor” dedi. “Kırmızı gürültü bizi yanıltabilir. Yeni araştırmamız, kafamızın karışmaması için yakından bakmamız gerektiğini söylüyor. En sonunda yerçekimi dalgalarını saptadığımızda buna dikkat etmemiz önemli olacak.”

NANOGrav henüz yerçekimi dalgalarına sahip süper kütleli kara delik ikililerini tespit edememiş olsa da, Witt’in yeni makalesi alanı her zamankinden daha yakın hale getiriyor. 12,5 yıllık veri setinden yararlanan araştırmacılar, pulsar verilerindeki belirsizlikleri doğru bir şekilde hesaba katmak ve kırmızı gürültüyü hesaba katmak için yeni teknikler uygulamak için yeni modeller oluşturdu.

Adayları onaylamak

Bu yeni modeller, süper kütleli kara delik çiftlerinden yayılan yerçekimi dalgalarının gücü konusunda şimdiye kadarki en sıkı sınırları sağlıyor. Daha önce, diğer araştırmacılar ışık tabanlı teleskoplarla potansiyel süper kütleli kara delik ikililerini keşfettiler. NANOGrav sonunda bu potansiyel adayların gerçekten de süper kütleli kara delik ikilileri olduğunu doğrulayabilir.

Witt, “Yeni yöntemlerimizle bunu daha erken onaylayabiliriz,” dedi. “Ya da veri toplamaya ve analiz etmeye devam edersek, o zaman onu bir aday olarak eleyebiliriz. Galakside garip bir şeyler dönüyor olabilir.”