For at finde gigantiske sorte huller, begynde med Jupiter

Revolutionen i vores forståelse af nattehimlen og vores plads i universet begyndte, da vi gik fra at bruge det blotte øje til et teleskop i 1609. Fire århundreder senere, forskere oplever en lignende overgang i deres viden om sorte huller ved at søge efter gravitationsbølger.

I jagten på tidligere uopdagede sorte huller, der er milliarder af gange mere massive end solen, Stephen Taylor, assisterende professor i fysik og astronomi og tidligere astronom ved NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) sammen med det nordamerikanske Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) samarbejde har flyttet forskningsfeltet frem ved at finde den præcise placering - tyngdepunktet for vores solsystem - hvormed man kan måle gravitationsbølgerne, der signalerer eksistensen af ​​disse sorte huller.

Potentialet i dette fremskridt, medforfatter af Taylor, blev offentliggjort i tidsskriftet Astrofysisk tidsskrift i april 2020.

Sorte huller er områder med ren tyngdekraft dannet ud fra ekstremt skæv rumtid. At finde de mest titaniske sorte huller i universet, der lurer i hjertet af galakser, vil hjælpe os med at forstå, hvordan sådanne galakser (inklusive vores egen) er vokset og udviklet sig gennem milliarder af år siden deres dannelse. Disse sorte huller er også uovertrufne laboratorier til at teste grundlæggende antagelser om fysik.

Gravitationsbølger er krusninger i rumtiden forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori. Når sorte huller kredser om hinanden i par, de udstråler gravitationsbølger, der deformerer rumtiden, strække og klemme plads. Gravitationsbølger blev først opdaget af Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) i 2015, åbner nye udsigter til de mest ekstreme objekter i universet. Hvorimod LIGO observerer relativt korte gravitationsbølger ved at lede efter ændringer i formen af ​​en 4 km lang detektor, NANOGrav, et National Science Foundation (NSF) Physics Frontiers Center, leder efter ændringer i formen af ​​hele vores galakse.

Taylor og hans team leder efter ændringer i ankomsthastigheden af ​​regelmæssige glimt af radiobølger fra pulsarer. Disse pulsarer er hurtigt roterende neutronstjerner, nogle går lige så hurtigt som en køkkenblender. De sender også stråler af radiobølger, fremstår som interstellare fyrtårne, når disse stråler fejer hen over Jorden. Over 15 års data har vist, at disse pulsarer er ekstremt pålidelige med hensyn til deres pulsankomsthastigheder, fungerer som fremragende galaktiske ure. Enhver tidsafvigelse, der er korreleret på tværs af mange af disse pulsarer, kan signalere indflydelsen af ​​gravitationsbølger, der fordrejer vores galakse.

"Ved at bruge de pulsarer, vi observerer på tværs af Mælkevejen, vi prøver at være som en edderkop, der sidder i stilhed midt på sit spind, " forklarer Taylor. "Hvor godt vi forstår solsystemets barycenter er afgørende, da vi forsøger at fornemme selv den mindste snurren til nettet." Solsystemets barycenter, dets tyngdepunkt, er det sted, hvor masserne af alle planeter, måner, og asteroider balancerer.

Hvor er centrum af vores web, placeringen af ​​den absolutte stilhed i vores solsystem? Ikke i midten af ​​solen, som mange måske antager, snarere er den tættere på stjernens overflade. Dette skyldes Jupiters masse og vores ufuldkomne viden om dens kredsløb. Det tager 12 år for Jupiter at kredse om solen, bare genert af de 15 år, NANOGrav har indsamlet data. JPLs Galileo-sonde (opkaldt efter den berømte videnskabsmand, der brugte et teleskop til at observere Jupiters måner) studerede Jupiter mellem 1995 og 2003, men oplevede tekniske lidelser, der påvirkede kvaliteten af ​​de målinger, der blev taget under missionen.

Identifikation af centrum af solsystemets tyngdekraft er længe blevet beregnet med data fra Doppler-sporing for at få et skøn over placeringen og banerne for kroppe, der kredser om solen. "Fangsten er, at fejl i masser og kredsløb vil oversætte til pulsar-timing artefakter, der godt kan ligne gravitationsbølger, " forklarer JPL-astronom og medforfatter Joe Simon.

Taylor og hans samarbejdspartnere fandt ud af, at arbejdet med eksisterende solsystemmodeller for at analysere NANOGrav-data gav inkonsistente resultater. "Vi opdagede ikke noget væsentligt i vores gravitationsbølgesøgninger mellem solsystemmodeller, men vi fik store systematiske forskelle i vores beregninger, " bemærker JPL-astronomen og avisens hovedforfatter Michele Vallisneri. "Typisk, flere data giver et mere præcist resultat, men der var altid en forskydning i vores beregninger."

Gruppen besluttede at søge efter solsystemets tyngdepunkt på samme tid som tyngdebølger. Forskerne fik mere robuste svar på at finde gravitationsbølger og var i stand til mere præcist at lokalisere solsystemets tyngdepunkt inden for 100 meter. For at forstå den skala, hvis solen var på størrelse med en fodboldbane, 100 meter ville være diameteren af ​​et hårstrå. "Vores præcise observation af pulsarer spredt over galaksen har lokaliseret os selv i kosmos bedre, end vi nogensinde kunne før, " sagde Taylor. "Ved at finde gravitationsbølger på denne måde, ud over andre eksperimenter, vi får et mere holistisk overblik over alle forskellige slags sorte huller i universet."

Efterhånden som NANOGrav fortsætter med at indsamle stadig mere rigelige og præcise pulsar timing data, astronomer er overbeviste om, at massive sorte huller vil dukke op snart og utvetydigt i dataene.