Иголка в космическом стоге сена

Центр Млечного Пути — одна из самых экстремальных сред в известной вселенной. Вокруг Sagittarius A*, сверхмассивной чёрной дыры, содержащей примерно четыре миллиона масс нашего Солнца, кружится буря газа, пыли, интенсивного излучения и гравитационных сил, которые деформируют саму ткань пространства-времени. Учёные давно теоретизировали, что пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звёзды, излучающие пучки радиоволн, как космические маяки — должны существовать в этом регионе, но их обнаружение оказалось чрезвычайно сложным. Теперь команда из Колумбийского университета добилась этого, выявив кандидата миллисекундного пульсара с периодом всего 8,19 миллисекунды в галактическом центре.

Открытие, опубликованное в The Astrophysical Journal, стало результатом Breakthrough Listen Galactic Center Survey — одного из наиболее чувствительных радиоисследований, когда-либо проводившихся в турбулентном сердце нашей галактики. Исследование возглавила недавняя выпускница докторской программы Колумбийского университета Карен И. Перес и соавторствовала Славко Богданов из Лаборатории астрофизики Колумбийского университета, представляя собой результат многолетних кропотливых наблюдений и анализа данных с использованием Green Bank Telescope в Западной Виргинии.

Почему миллисекундные пульсары имеют значение

Пульсары — это коллапсировавшие остатки массивных звёзд, закончивших свою жизнь сверхновыми взрывами. То, что остаётся, это невероятно плотная нейтронная звезда — сфера размером примерно с город, но содержащая больше массы, чем Солнце — которая быстро вращается и излучает сфокусированные пучки электромагнитного излучения. По мере вращения пульсара эти пучи развёртываются в космос, как луч маяка, создавая регулярные импульсы, которые можно обнаружить радиотелескопами на Земле.

Миллисекундные пульсары — это специальный подкласс, вращающихся особенно быстро, совершая сотни оборотов в секунду. Их исключительные скорости вращения делают их поведение синхронизации заметно стабильным — в некоторых случаях соперничая с атомными часами по точности. Эта стабильность делает их бесценными инструментами для экспериментов фундаментальной физики, потому что любое отклонение от ожидаемого синхронизма может раскрыть влияние внешних сил, включая гравитацию.

Кандидат пульсара, выявленный рядом с Sagittarius A*, завершает полный оборот каждые 8,19 миллисекунды, прочно размещая его в миллисекундной категории. При такой скорости он вращался бы примерно 122 раза в секунду — ошеломляющая цифра для объекта, который может весить больше, чем наше Солнце.

Лаборатория для теории Эйнштейна

Научный энтузиазм, окружающий это открытие, простирается намного дальше обнаружения ещё одного пульсара. Миллисекундный пульсар, находящийся на орбите близко к сверхмассивной чёрной дыре, создал бы то, что физики описывают как идеальную природную лабораторию для тестирования общей теории относительности при условиях, которые не могут быть воспроизведены на Земле или где-либо ещё в наблюдаемой вселенной.

Общая теория относительности Эйнштейна, опубликованная в 1915 году, предсказывает, что массивные объекты деформируют геометрию пространства-времени вокруг них. Рядом со сверхмассивной чёрной дырой эти деформирующие эффекты становятся экстремальными. Точные временные сигналы от миллисекундного пульсара, проходящего через это искажённое пространство-время, будут содержать измеримые аномалии — крошечные, но обнаруживаемые отклонения от регулярного импульсного паттерна, которые кодируют информацию о гравитационной среде.

Путём тщательного мониторинга этих временных аномалий в течение месяцев и лет учёные смогут проверить, выдерживаются ли предсказания общей теории относительности при наиболее экстремальных гравитационных условиях. Любые расхождения между наблюдаемым и предсказанным поведением могут указывать на новую физику за пределами фреймворка Эйнштейна, потенциально предоставляя подсказки о природе гравитации на квантовом уровне — одна из самых глубоких нерешённых проблем в современной физике.

Вызов обнаружения

Поиск пульсаров в галактическом центре чрезвычайно сложен по нескольким причинам. Регион плотен с газом и пылью, которые рассеивают и поглощают радиосигналы, явление, известное как межзвездное рассеивание. Это рассеивание расширяет и искажает сигналы пульсаров, затрудняя их различие от фонового шума. Эффект особенно серьёзен на более низких радиочастотах, поэтому команда исследователей использовала возможности высокочастотного Green Bank Telescope для прорезывания помех.

Кроме того, простая плотность радиоисточников рядом с галактическим центром создаёт какофонический фон, который усложняет идентификацию сигнала. Breakthrough Listen обследование применил сложные алгоритмы обработки сигналов для просеивания массовых объёмов данных, ища периодические сигнатуры, которые отличают пульсары от других радиоисточников.

Несмотря на десятилетия поисков, очень мало пульсаров было подтверждено рядом с Sagittarius A*. Редкость обнаружений сама по себе была загадкой — модели предсказывают, что тысячи пульсаров должны населять галактический центр, но найдено только несколько. Каждое новое обнаружение помогает ограничить наше понимание популяции пульсаров в этой экстремальной среде.

Подтверждение всё ещё требуется

Исследователи аккуратно классифицируют свою находку как кандидата, а не как подтверждённого пульсара. Последующие наблюдения находятся в процессе, чтобы проверить обнаружение и исключить альтернативные объяснения наблюдаемого сигнала. Периодическая природа и спектральные характеристики сигнала согласуются с миллисекундным пульсаром, но независимое подтверждение из дополнительных эпох наблюдения требуется прежде, чем открытие может быть рассмотрено как окончательное.

В движении, отражающем совместный дух современной астрофизики, команда исследователей сделала свои данные общественно доступными, поощряя астрономов во всём мире независимо анализировать наблюдения. Этот открытый подход ускоряет процесс проверки и позволяет более широкому научному сообществу внести свой вклад в то, что может быть знаковым открытием.

Смотрим в будущее

При подтверждении этот пульсар присоединится к очень маленькому клубу известных пульсаров рядом с галактическим центром и будет первым миллисекундным пульсаром, обнаруженным в этом регионе. Комбинация его быстрого вращения — обеспечивающего высокоточное синхронизацию — и его близости к наиболее массивному объекту нашей галактики создаёт научную возможность, которую астрофизики преследовали в течение десятилетий.

Следующее поколение радиотелескопов, включая Square Kilometre Array, в настоящее время строящийся в Австралии и Южной Африке, будет иметь даже большую чувствительность для обнаружения пульсаров в сложных условиях. Но пока что Green Bank Telescope и программа Breakthrough Listen продемонстрировали, что при достаточном терпении, чувствительности и аналитической изощрённости галактический центр начинает раскрывать свои секреты — по одному импульсу за раз.

Эта статья основана на отчётах Science Daily. Читайте оригинальную статью.