8 Minutės
Kažkas tiktakinėja giliai Paukščių Tako perpildytoje širdyje, ir astronomai nori sužinoti, ar tai leis perrašyti kelias gravitacijos vadovėlių pastraipas. Tas tiktakas — 8,19 milisekundės trukmės impulsas, aptiktas Breakthrough Listen Galaktikos centro tyrime — atkeliavo iš krypties labai arti Sagitario A*, supermasyvios juodosios skylės, laikomos mūsų galaktikos centru. Jei šis signalas pasitvirtins kaip tikras milisekundinis pulsaras arti orbitos, tai būtų vienas iš vertingiausių natūralių laboratorijų Bendrosios reliatyvumo teorijai (BRT) išbandyti.
Menininko vizija, kaip Green Bank teleskopas rinkia duomenis apie Paukščių Tako centrą. Įterptame vaizde matyti mūsų Galaktikos centro juodoji skylė ir netoliese esantis kandidatas (nepatvirtintas) pulsaras.
Apie aptiktą impulsą
Aptikimas prasidėjo kaip subtilus radijo siūlas tarp sutrikusių ir triukšmingų signalų Galaktikos centro regione. 8,19 ms intervalas — tai labai trumpas, bet nuoseklus ritmas, panašus į milisekundinio pulsaro sukimosi periodo matavimą. Tokius impulsus sukuria neutroninės žvaigždės, kurios savo spinduliuotę kalibruoja į stabilius „švyturių“ impulsus. Šios didelio tikslumo laikrodžio savybės leidžia aptikti menkiausius laiko vėlavimus, kuriuos sukelia gravitaciniai ar terpės poveikiai.
Pulsaro paieška Galaktikos centre yra sudėtinga dėl intensyvios dispersijos ir sklaidos, kurią sukuria tarpžvaigždinė plazma, taip pat dėl arti esančių radioteleskopų interferencijos. Todėl kiekvienas kandidatas praeina daugybę filtrų ir kryžminės patikros etapų — nuo pirminių aptikimų iki gilios dažnių ir laiko analizės. Šis konkretaus 8,19 ms signalo aptikimas buvo praneštas Breakthrough Listen projektui atlikusiam kampanijos stebėjimus Green Bank teleskopu, o pirminiai rezultatai paskelbti bendresnėms mokslinėms apžvalgoms.
Kas yra pulsarai?
Pulsarai yra masyvių žvaigždžių kolapsavusių branduolių likučiai — miesto dydžio neutroninės žvaigždės, kurios suspaudžia daugiau masės nei Saulė per kelis kilometrus skersmens. Dėl didžiulio sukimosi momento ir stiprių magnetinių laukų jos išlieja radijo spinduliuotę koncentruotais spinduliais. Kai toks spindulys praeina pro Žemę, radijo teleskopai fiksuoja itin reguliarius impulsus. Milisekundiniai pulsarai sukasi šimtus kartų per sekundę ir pasižymi išskirtiniu laiko tiksliu, todėl juos dažnai vadina gamtos atominiais laikrodžiais.
Milisekundinių pulsarų taikymas kosmologijoje ir fundamentinėje fizikoje yra platus: nuo gravitacinių bangų aptikimo per pulsarų laiko matavimų tinklus (PTA) iki juodųjų skylių masės ir sukimosi parametrų nustatymo. Kritinis jų pranašumas — ne tik trumpas periodas, bet ir nuoseklus pulso formos bei laiko stabilumas, leidžiantis identifikuoti labai smulkias nuokrypas, kurių priežastys gali būti tiek astrofizinės, tiek fundamentinės prigimties.
Kodėl pulsaras arti Sagitario A* yra reikšmingas
Įsivaizduokite, kad šalia trilijonų kilometrų gravitacinės duobės padedate savo tiksliausią laikrodį. Tai ir yra šio atradimo pažadas. Sagitario A* masė siekia apie keturis milijonus Saulės masių, sutelktų į erdvę, ne didesnę už mūsų Saulės sistemą. Bendroji reliatyvumo teorija numato, kaip erdvė-laikas turėtų deformuotis ir kaip šviesa arba radijo impulsai turėtų vėluoti, nukrypti ar dažniškai pasislinkti praeidami šalia tokios masės.
Milisekundinis pulsaras arti Sagitario A* leistų astronomams matuoti kelis reikšmingus reiškinius su precedento neturinčiu tikslumu. Tai apima:
- Šapiro vėlavimą (Shapiro delay) — papildomą laiko vėlavimą, kurį patiria signalas praeidamas pro stiprios gravitacijos lauką;
- Gravitacinį raudonėjimą — signalo dažnio pokyčius, kuriuos sukelia gravitacinė potencialo skirtis;
- Rėmo tampymą (frame-dragging) — erdvės-laiko „įtemptimą“ aplink sukimosi objektą, kuris gali būti matomas kaip subtilūs orbitos pakitimai;
- Orbitalinius parametrus — trauka, ekscentriškumas, poliarumas ir kiti orbitaliniai duomenys, leidžiantys nustatyti juodosios skylės masę ir sukimąsi bei galimų papildomų masių buvimą šalia centro.
Tokių efektų matavimai ne tik išbando Einsteino teoriją ekstremaliose sąlygose, bet ir atskleidžia artimiausią aplinką aplink juodąją skylę: žvaigždžių tankį, tamsių likučių (pavyzdžiui, juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių) pasiskirstymą bei plazmos sukeltą sklaidą ir skersavimą.
Tyrimo komanda ir pranešimas
Kolumbijos universiteto (Columbia University) mokslininkų grupė, vadovaujama Karen I. Perez, pranešė apie šio kandidato buvimą žurnale The Astrophysical Journal. Kartu su bendraautoriais, įskaitant Slavko Bogdanov, jie pabrėžė, kad išoriniai poveikiai pulsarui „įvestų anomalijas į šį pastovų impulsų atvykimą, kurias galima išmatuoti ir modeliuoti.“ Trumpai tariant: menkiausi laiko nukrypimai tampa dideliais užuominomis apie aplinką ir gravitaciją.
Tokia tarptautinių ir tarpdisciplininių komandų bendradarbiavimo praktika yra būtina, nes aptikimo patvirtinimui ir tolimesniems matavimams reikalingi skirtingi instrumentai, algoritmai ir interpretacijos modeliai. Tai sukuria natūralią mokslo ekosistemą, kur atviri duomenys ir metodai paspartina patikrinimą ir leidžia alternatyvioms paieškos strategijoms prisidėti prie sprendimo.
Tolimesni stebėjimai, patikrinimas ir atviri duomenys
Aptikimas yra tik pirmas žingsnis. Pulsaro kandidatai dažnai gali prisidengti kaip žemiškos kilmės trukdžiai arba tranzientinės (laikinos) reiškiniai. Šaltinio patvirtinimas reiškia pakartotinius radijo stebėjimus skirtingais dažniais ir epochomis, kruopštų trukdžių atskyrimą ir laikinių duomenų analizę, ar 8,19 ms ritmas išlieka. Green Bank teleskopas, naudotas Breakthrough Listen, turi jautrumą, reikalingą tokiems tęstiniams stebėjimams.
Svarbu tai, kad Breakthrough Listen paskelbė stebėjimų duomenis atvirai, todėl grupės visame pasaulyje gali juos peržiūrėti, kryžminti ir taikyti alternatyvius paieškos algoritmus. Šis skaidrumas pagreitina patvirtinimą ir skatina naujas prieigas į signalo dedispersiją ir aptikimą per Galaktikos centro sklaidos „rūką“.
Techniniai žingsniai, kurie dažniausiai atliekami patikrinimo metu, apima:
- Signalų atskyrimą nuo žemiškų interferencijų ir radijo dažnių teršalų;
- Skirtingų dažnių juostų analizę, kad būtų nustatytas dispersijos kiekis (dispersion measure, DM), kuris nurodo, kiek troškos signalo kelias per tarpžvaigždinę plazmą;
- Laikinių eilutes ir Fourier analizę, siekiant patikrinti periodo pastovumą ir harmoningumą;
- Ilgalaikį laiko stebėjimą, kuriuo būtų nustatomi orbitaliniai pokyčiai ar periodiniai variacijos, rodantys binarinę orbitą arba gravitacinių efektų įtaką.
Mokslinės ir techninės pasekmės
Jeigu pasitvirtintų, kad signalas yra milisekundinis pulsaras arti Sagitario A*, pasekmės būtų plačios ir gilių mokslinių. Trumpai pristatome pagrindinius mokslinius tikslus ir techninius aspektus:
- BRT testai: Preciziniai laiko matavimai leistų bandyti Bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes stipriame gravitaciniame lauke ir galbūt aptikti nuokrypius, kuriuos būtų galima sieti su alternatyviomis gravitacijos teorijomis.
- Juodosios skylės parametrai: Pulsaro orbitos dinamika padėtų tikslinti Sagitario A* masę, sukimosi greitį (spin) ir poliarumą.
- Tamsių likučių populiacija: Pulsaro buvimas arba nebuvimas tam tikruose atstumuose nuo centro padeda apibrėžti, kiek likusių juodųjų skylių ir neutroninių žvaigždžių telkiasi branduolyje.
- ISM charakteristikos: Sklaida ir dispersija atskleidžia tarpžvaigždinės plazmos tankį, nehomogeniškumus ir turbulenciją Galaktikos centre.
- Instrumentų ir algoritmų tobulinimas: Aptikimas prie centro, kur sklaida ir triukšmas yra dideli, paskatintų naujus signalų apdorojimo metodus, dedispersijos algoritmus ir interferencijos šalinimo priemones.
Be to, pulsarai prie supermasyvių juodųjų skylių gali tapti sinchronicziais signalais, leidžiančiais kurti didelio pralaidumo ar itin stabilias laikrodžių kontrolės sistemas kosminėms misijoms ar tolimoms astrofizikos eksperimentams.
Galimi rezultatų scenarijai
Kai duomenys bus išsamiau išanalizuoti, galima numatyti kelis pagrindinius scenarijus:
- Patvirtinimas: Pakartotini stebėjimai atkuria 8,19 ms impulsus su nuosekliais dispersijos matavimais, nurodančiais artumą prie Galaktikos centro. Tokiu atveju prasidėtų ilgalaikės laikų matavimo kampanijos, skirtos orbitos parametrais, relativistinėms reikšmėms ir juodosios skylės savybėms ištraukti.
- Dalinis patvirtinimas: Signalas atkuriamas, bet su papildomais kompleksiniais poveikiais nuo tarpžvaigždinės plazmos, reikalaujančiais sudėtingesnių modelių ir galbūt naujų stebėjimų kitose bangų juostose (pvz., aukštesniuose radijo dažniuose arba rentgeno ruože).
- Neigiamas patvirtinimas: Signalas neatsikartoja arba paaiškėja kaip žemiškos interferencijos produktas. Net tokiu atveju duomenys bus vertingi, nes jie siaurina galimus pulsarų tankio ir orientacijos modelius prie Sagitario A* ir padeda planuoti tolimesnes paieškas.
Ekspertų įžvalgos
Ekspertų komentaras
„Rasti milisekundinį pulsarą taip arti supermasyvią juodąją skylę būtų retas dovana fizikai,“ sako dr. Lina Ortega, astrofizikė, tyrinėjanti kompaktiškų objektų dinamiką. „Net keletas tikslių laiko matavimų galėtų atskirti subtilius reliatyvistinius modelius ir atskleisti, ar branduolyje linkusi egzistuoti papildoma nematoma masė. Tai kaip pereiti nuo laikrodžio ant rankos prie atominio laikrodžio, bandant perskaityti erdvės-laiko išlinkimą.“
Tokios ekspertų pastabos pabrėžia technologijų ir teorijos sankirtą: aukšto jautrumo radijo instrumentai, pažangūs signalo apdorojimo algoritmai ir keliasdešimt metų reliatyvistinių prognozių. Nesvarbu, ar objektas pasirodys esąs milisekundinis pulsaras, ar impostorius, paieška suspaudžia mūsų Galaktikos centro žemėlapį ir pagerina instrumentus bei metodus, kuriais tikriname gravitaciją jos ekstremaliausioje aplinkoje.
Išvados ir tolimesni žingsniai
Šis atradimas iliustruoja, kiek daug gali atskleisti vienas, kruopščiai užregistruotas impulsas: nuo fundamentinių fizikos testų iki praktinių duomenų apie Galaktikos centro aplinką. Sekantys mėnesiai ir metai, skirti patikrinti ir tęstiniams stebėjimams, bus lemiami. Mokslininkų bendruomenė, naudodama atvirus duomenis, skirtingus instrumentus ir įvairius analizės metodus, turės galimybę greitai reaguoti ir patikėti arba atmesti šį kandidatą.
Be mokslinių rezultatų, šis procesas skatina ir technologinę pažangą: geresnę triukšmo šalinimo praktiką, tobulesnius dedispersijos metodus ir pažangesnius duomenų paieškos algoritmus, kurie gali būti panaudoti kitiems sudėtingiems radijo astronomijos iššūkiams. Galiausiai, nepriklausomai nuo galutinio patikrinimo rezultato, paieška ir jos atviri duomenys padidina mūsų supratimą apie tai, kas vyksta Paukščių Tako centre — viename iš labiausiai intrigrą keliančių astronomijos regionų.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą