Nowa mapa wszechświata wykorzystuje fale grawitacyjne do odkrywania ukrytych czarnych dziur i struktury kosmicznej

W ramach międzynarodowych badań prowadzonych przez astronomów z Politechniki w Swinburne stworzono najbardziej szczegółowe jak dotąd mapy fal grawitacyjnych we wszechświecie.

W wyniku badań powstał także największy w historii detektor fal grawitacyjnych na skalę galaktyczną i znaleziono dalsze dowody na istnienie „tła” fal grawitacyjnych: niewidzialnych, ale niezwykle szybkich zmarszczek w przestrzeni, które mogą pomóc w odblokowaniu niektórych głównych tajemnic wszechświata.

Te trzy badania oferują nowy wgląd w największe czarne dziury we wszechświecie, w jaki sposób je ukształtowały oraz kosmiczną architekturę, którą po sobie pozostawiły.

Główny autor dwóch artykułów i badacz w OzGrav i Swinburne, dr Matt Miles, twierdzi, że badania otwierają nowe ścieżki zrozumienia wszechświata, w którym żyjemy.

„Badanie tła pozwala nam dostroić się do echa kosmicznych wydarzeń na przestrzeni miliardów lat” – wyjaśnił dr Miles. „Ujawnia, jak galaktyki i sam wszechświat ewoluowały na przestrzeni czasu”.

Bezprecedensowy sygnał fali grawitacyjnej

Badanie odsłoniło dalsze dowody na to, że sygnały fal grawitacyjnych powstają w wyniku łączenia się supermasywnych czarnych dziur, wychwytując sygnał silniejszy niż podobne eksperymenty globalne i to w zaledwie jednej trzeciej czasu.

„To, co widzimy, wskazuje na znacznie bardziej dynamiczny i aktywny wszechświat, niż się spodziewaliśmy” – powiedział dr Miles. „Wiemy, że supermasywne czarne dziury łączą się, ale teraz zaczynamy zadawać sobie pytanie: gdzie one są i ile ich tam jest?”

Szczegółowe mapy fal grawitacyjnych z nieoczekiwanymi gorącymi punktami

Korzystając z układu synchronizacji pulsarów, badacze stworzyli bardzo szczegółową mapę fal grawitacyjnych, udoskonalając istniejące metody. Mapa ta ujawniła intrygującą anomalię — nieoczekiwany gorący punkt w sygnale, który sugeruje możliwą zmianę kierunku.

Główna autorka jednego z badań i badaczka z OzGrav i Monash University, Rowina Nathan, twierdzi, że mapa zapewnia bezprecedensowy wgląd w strukturę naszego wszechświata.

„Obecność gorącego punktu może sugerować istnienie odrębnego źródła fal grawitacyjnych, na przykład pary czarnych dziur o masie miliardów mas naszego Słońca” – stwierdziła.

„Przyglądanie się układowi i wzorom fal grawitacyjnych pokazuje nam, jak nasz Wszechświat istnieje dzisiaj i zawiera sygnały już od Wielkiego Wybuchu. Jest jeszcze wiele do zrobienia, aby określić znaczenie znalezionego przez nas gorącego punktu, ale jest to ekscytujący krok naprzód dla naszego pola.”

Korzystając z radioteleskopu MeerKAT w Republice Południowej Afryki, jednego z najczulszych i najnowocześniejszych instrumentów na świecie, naukowcy skonstruowali tablicę czasową MeerKAT Pulsar Timing Array, wykorzystując ją do obserwacji pulsarów i pomiaru czasu z dokładnością do nanosekund.

Pulsary – szybko wirujące gwiazdy neutronowe – służą jako naturalne zegary, a ich stałe impulsy pozwalają naukowcom wykrywać drobne zmiany spowodowane przechodzącymi falami grawitacyjnymi. Ten detektor w skali galaktycznej umożliwił mapowanie fal grawitacyjnych na niebie, ujawniając wzorce i zmiany, które podważają wcześniejsze założenia.

Nathan twierdzi, że często zakłada się, że tło fali grawitacyjnej będzie równomiernie rozłożone na niebie.

„Jednak detektor fal grawitacyjnych wielkości galaktycznej utworzony przez układ pomiaru czasu pulsarów MeerKAT pozwolił nam zmapować strukturę tego sygnału z niespotykaną precyzją, co może ujawnić wiedzę na temat jego źródła”.

Pomiary te otwierają nowe, ekscytujące pytania dotyczące powstawania masywnych czarnych dziur i wczesnej historii Wszechświata. Dalsze obserwacje za pomocą tablicy MeerKAT udoskonalą mapy fal grawitacyjnych i mogą odkryć nowe, wcześniej ukryte zjawiska kosmiczne.

Badanie ma również szerokie implikacje, oferując dane, które mogą pomóc naukowcom lepiej zrozumieć pochodzenie i ewolucję supermasywnych czarnych dziur, powstawanie struktur galaktyk, a potencjalnie nawet najwcześniejsze wydarzenia w historii Wszechświata.

Kathrin Grunthal, badaczka z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka i współautorka jednego z badań, twierdzi, że w przyszłości ich celem będzie zrozumienie pochodzenia sygnału fali grawitacyjnej pochodzącej ze zbiorów danych.

„Szukając zmian w sygnale fal grawitacyjnych na niebie, szukamy odcisków palców procesów astrofizycznych kształtujących nasz wszechświat”.