Мы достаточно часто слышим о сверхмассивных черных дырах, об этих экзотических космических объектах, которые располагаются в центре почти каждой большой галактики. И когда звучат фразы о том, что масса той или иной черной дыры равна столько-то миллионам масс Солнца, невольно возникает вопрос, как ученым удалось измерить массу черной дыры, которую невозможно увидеть непосредственно и о наличии которой можно судить только по вторичным эффектам? Ответ на этот вопрос содержится в статье, опубликованной в последнем выпуске журнала Science. Эта статья описывает новую методику получения данных о массе и росте массы огромных черных дыр на основании наблюдений за гравитационными волнами, которые проводятся с помощью радиотелескопов, в частности, радиотелескопа CSIRO Parkes, находящегося в восточной части Австралии.

"Это является первым разом в истории науки, когда мы оказались в состоянии использовать информацию о гравитационных волнах для изучения одного из самых интригующих аспектов Вселенной - черных дыр, а если быть точнее - то для определения их масс и динамики их роста" - рассказал доктор Рэмеш Бхэт (Dr Ramesh Bha), ученый из университета Кертина (Curtin University), работающий в международном радиоастрономическом центре ICRAR (International Centre for Radio Astronomy Research), - "За черными дырами невозможно наблюдать непосредственно. Но, вооружившись новыми мощными инструментами, мы способны узнать о них многое, используя наблюдения за вторичными эффектами от их влияния. Мы уже доказали недостоверность некоторых математических моделей, описывающих процессы роста черных дыр, и в ближайшее время мы проверим другие существующие теории на эту тему".

Согласно теории Эйнштейна, гравитационные волны, искажающие пространственно-временной континуум, могут производиться массивными телами, изменяющими скорость и направление движения, такими, как две вращающиеся вокруг друг друга массивные черные дыры. Такие "пары" из черных дыр могут образовываться при слияниях или столкновениях галактик. Какое-то время эти черные дыра вращаются друг возле друга, а затем сближаются и сливаются в одну огромную черную дыру.

"Когда черные дыра находятся на последней стадии вращения, которая предшествует их слиянию, они производят гравитационные волны на частоте, которую мы может зарегистрировать имеющимся у нас оборудованием" - рассказывает доктор Рэмеш Бхэт. Так как столкновения галактик происходят по космическим масштабам времени достаточно часто, то вся Вселенная наполнена гравитационными волнами от слияния черных дыр, которые создают фон, напоминающий шум от толпы людей.

Поиск гравитационных вол осуществлялся методом наблюдения с помощью радиотелескопа Parkes за сигналами от 20 пульсаров, небольших вращающихся звезд, излучающих в окружающее пространство радиоимпульсы со строго определенной частотой следования. Эти пульсары являются самыми точными часами естественного происхождения во Вселенной, а время следования их импульсов может быть измерено с помощью оборудования радиотелескопов с точностью до 100 наносекунд.

Когда радиоволны, излучаемые пульсарами, движутся сквозь искривленное гравитационными волнами пространство-время, время следования импульсов сокращается или удлиняется, изменяя время прибытия импульсов к Земле. Измеряя изменения частоты следования импульсов пульсара за очень длительный промежуток времени можно приблизительно судить о частоте и амплитуде гравитационных волн. А амплитуда гравитационной волны зависит от близости вращающихся черных дыр, от их массы и от некоторых других факторов, при этом, каждый из факторов можно выделить из общего числа, используя некоторые определенных характеристики гравитационных волн.

Вооружившись данными, которые собирались в течение почти 20 лет в рамках проекта Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), ученые-астрономы нашли множество следов гравитационных волн, что позволило вычислить их некоторые характеристики. С помощью этого были проверены четыре теоретических модели, описывающих процессы роста черных дыр. Одна модель уже была полностью исключена из-за ее недостоверности, а три оставшихся нуждаются в дополнительной проверке.