Звездите треперят от гравитационни вълни

Астрономи предлагат гравитационните вълни да се търсят в Далечния космос.

Американски астрофозици изясниха, че неуловимите гравитационни вълни, за чието съществуване учените спорят от март тази година, взаимодействат с далечни звезди и ги карат да „треперят“, което на свой ред да се проявява в периодичните изменения на тяхната яркост и спектъра им на лъчение.

По думите на учените откриването на подобни резонанси не е сложно, достатъчно е да се проследят измененията в яркостта на няколко светила в продължение само на няколко дни, което открива пътя за търсене на гравитационни вълни със съществуващите днес орбитални и наземни телескопи.

Откриването и изучаването на подобни звездни вълни, както смятат учените, ще помогне да се уточнят неясните моменти в историята на откриването на гравитационни вълни от антарктическия телескоп BICEP2. Както стана ясно, в тяхната правдоподобност се съмняват много физици и астрономи.

Подобна идея дошла наум на Бари Макернану от Градския университет на Ню Йорк и неколцина негови колеги астрофизици, когато те препроверявали валидността на изчисленията на общата теория на относителността на Айнщайн, предсказала още през 1916 година съществуването на гравитационни вълни.

Такива вълни, както предсказва ОТО, представляват особени колебания на пространство-времето, които изпуска всяка материя, движеща се с ускорение. Колкото по-високи са ускорението и масата на обекта, толкова по-забележими и „високи“ трябва да са гравитационните вълни.

Потенциални източници на такива вълни са двойки неутронни звезди, черни дупки или бели джуджета, разположени толкова далече от Земята, че изходящите от тях вълни почти е невъзможно да се фиксират – те се сливат с общия гравитационен фон.

Днес следите от гравитационни вълни от черни дупки и прочие масивни обекти се търсят от учените на Земята със специални лазерни детектори интерферометри, като например американския LIGO, италианско-френския Virgo и немския GEO600.

Друг, по-мащабен клас апарати, като вече споменатата обсерватория BICEP2 и нейния космически колега „Планк“, са били заети с търсене на гравитационните вълни, представляващи ехо от Големия взрив.

Всички тези уреди все още не са успели да предоставят еднозначно свидетелство за съществуването на гравитационни вълни и да изучат техните свойства.

Макернан и колегите му предлагат да се пренесе търсенето в Далечния космос, в околностите на ядрата на сливащи се галактики. Авторите отбелязват, че голяма част от енергията, отделяща се при сливане на две свръхмасивни черни дупки, намиращи се в центровете на такива галактики, ще се отделя във вид на мощни гравитационни вълни. Тези вълни, както изяснили учените, ще взаимодействат с близките до центъра на галактиките светила.

„Можете да си представите звездите като своеобразни клавиши на ксилофон – те имат своя честота, на която вибрират. Отначало ни се струваше, че ако недалеч от такъв космически „инструмент“ се сливат две черни дупки, то поражданите от този процес гравитационни вълни ще бият само по един клавиш на този ксилофон в един момент от времето“, обяснява Саавик Форд от Института по теоретична физика „Кавли“ в Ню Йорк.

Както обясняват учените, понякога честотата на пулсациите в звездите и вибрациите на гравитационните вълни могат да съвпадат. В такива случаи светилото започва да поглъща част от енергията, която носят „Айнщайновите вълни“, и да я запасява в своите недра.

Благодарение на това звездата започва да „трепери“ и да се нагрява и повишението на температурата в недрата на светилото ще доведе до подобно увеличение в яркостта и към изменения в структурата на неговия спектър.

Освен това погълнатата енергия ще накара звездата да се раздуе и да изхвърли част от външните обвивки, в случай че тя се намира достатъчно близо до черните дупки, които поглъщат тази материя и изхвърлят част от нея във вид на ярък джет.

„Това е както струната на китарата или на всеки друг музикален инструмент, вибрираща по определен начин, усилва своето звучене в момента, когато удряте по нея със същата сила и честота, както и предишния път. Същото се случва и с гравитационните вълни и звездите“, добавя Макернан.

Астрофизиците обясняват, че самият този факт е достатъчно сложно да се използва за търсене на колебания на пространство-времето, тъй като флуктуациите в яркостта на светилото, възникващи в резултат на различни вътрешни процеси в неговите недра, ще се различава трудно от последствията на поглъщането на гравитационни вълни.

Тук на помощ на учените още веднъж дошла теорията на относителността, подсказваща, че следите от „Айнщайновите вълни“ може да се открият по време на наблюдения не на една, а едновременно на няколко звезди.

„Но всъщност ситуацията е по-сложна. Черните дупки постепенно се разпадат с приближаването една към друга, от което честотата на колебанията на техните гравитационни вълни ще се мени и звездният ксилофон ще започне да свири мелодия от няколко ноти. Затова по-скоро отначало ще видите как внезапно избухват големите звезди, а след това средните, малките звезди и накрая светилата джуджета“, продължава Форд.

Използвайки този ефект, авторите на статията в близко време планират да започнат търсене на следи от гравитационни вълни в резонанса на далечни звезди, разположени в центровете на сливащи се галактики. За това може да се използват вече съществуващите днес орбитални и наземни радиотелескопи.

Освен това авторите на статията предлагат и друг вариант за търсене на колебания на пространство-времето, който ще стане възможен след старта на още несъществуващи космически „ловци“, като например проекта LISA, който НАСА и ESA разработвали съвместно от 2001 до 2011 година.

Подобни сонди, пряко наблюдаващи за гравитационни вълни, ще могат да проследят любопитен ефект – намаляване на силата на тези колебания на пространство времето в резултат на частичното им поглъщане от Слънцето и други близки светила.

По оценка на Макернан и колегите му, ако LISA и други сонди успеят да станат свидетели на подобно събитие, то гравитационните вълни може да бъдат открити в първите десет години след тяхното изпращане.

И все пак повече надежди учените възлагат на търсенето на следи от гравитационни вълни в околностите на сливащи се черни дупки, където тяхното въздействие върху светилата е много по-силно, отколкото в които и да било други точки на Вселената.

Следи от поглъщане на „Айнщайнови вълни“ на такива светила ще бъдат видни още след 11 дни, което прави изучаването на подобни звезди изключително привлекателно за астрофизиците, заключават авторите на статията.

Новата методика за търсене на гравитационни вълни е представена в сп. Monthly Notices Letters на Кралското астрономическо общество.