Znanstvenici bi uskoro mogli “čuti” skriveni ritam svemira kroz pulsare koji kucaju gravitacijskim valovima
Istraživači koji analiziraju podatke o pulsarima pronašli su primamljive naznake ultra-sporih gravitacijskih valova. Tim sa Sveučilišta Hirosaki sugerira da ti signali mogu nositi “otkucaje” – obrasce nastale preklapanjem valova supermasivnih crnih rupa. Ova suptilna modulacija mogla bi pomoći znanstvenicima da utvrde potječu li valovi od drevne kozmičke inflacije ili obližnjih binarnih crnih rupa, potencijalno identificirajući pravi izvor nježnih vibracija prostor-vremena.
U maglici Rak, brzo rotirajuća neutronska zvijezda, ili pulsar (bijela točka blizu središta), pokreće dramatičnu aktivnost koju vidi Chandra. Unutarnji rendgenski prsten smatra se udarnim valom koji označava granicu između okolne maglice i toka materije i čestica antimaterije iz pulsara. Energetske čestice se pomiču prema van kako bi osvijetlile vanjski prsten i proizvele produženi rendgenski sjaj. Mlazovi okomiti na prsten nastaju zbog čestica tvari i antimaterije koje izlaze iz polova pulsara. Prsti, petlje i utori vidljivi na vanjskoj granici maglice vjerojatno su uzrokovani zatočenjem visokoenergetskih čestica magnetskim silama.
Zasluge: Chandra X-ray Observatory
Pulsari možda otkrivaju da se kroz svemir kreću gravitacijski valovi iznimno niske frekvencije. Opažanja koja su 2023. godine izvijestile međunarodne suradnje za mjerenje vremena pulsara mogla bi biti uzrokovana ili pozadinom preklapajućih gravitacijskih valova iz bezbroj udaljenih izvora ili jednim parom obližnjih supermasivnih crnih rupa koje kruže jedna oko druge. Kako bi se utvrdilo koje objašnjenje odgovara, Hideki Asada, teorijski fizičar i profesor na Sveučilištu Hirosaki, i Shun Yamamoto, istraživač na Poslijediplomskom studiju znanosti i tehnologije Sveučilišta Hirosaki, predložili su novi pristup. Njihova metoda koristi efekte “otkucaja” koji se javljaju kada dva gravitacijska vala imaju gotovo istu frekvenciju, tražeći njihov suptilan utjecaj na vrijeme dolaska radio signala pulsara.
Njihovi su nalazi nedavno objavljeni u časopisu Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP)
Noćno nebo sadrži iznimno precizne “kozmičke satove”: pulsare, guste neutronske zvijezde koje emitiraju radio impulse u redovitim intervalima, otkucavajući poput savršeno tempiranih metronoma. Na Zemlji radio teleskopi prate te pulseve ne samo kako bi saznali više o samim pulsarima, već i kako bi ih koristili kao alate za proučavanje strukture i ponašanja šireg svemira.
Ako nešto nevidljivo – gotovo “kozmički duh” – iskrivljuje prostor-vrijeme između pulsara i Zemlje, vrijeme njegovih impulsa se blago mijenja. Te promjene nisu nasumične; Nekoliko pulsara u određenim dijelovima neba može pokazivati odgovarajuće varijacije, kao da spor, nevidljiv val prolazi kroz svemir.
“Godine 2023. nekoliko suradnji na vremenskim nizovima pulsara – NANOGrav u SAD-u i europski timovi – objavilo je snažne dokaze za nanohercne gravitacijske valove”, napominje Asada. Nanoherc znači valna razdoblja od mjeseci do godina, s valnim duljinama od nekoliko svjetlosnih godina. Za istraživanje takvih razmjera oslanjamo se na udaljene, stabilne pulsare udaljene stotinama do tisućama svjetlosnih godina. “Signal je bio statistički pouzdan, ali ispod praga 5-sigma koji fizičari čestica obično zahtijevaju,” nastavlja. “To je ‘snažan dokaz’, ali još nije potvrđeno otkriće, no zajednica kozmologije i astrofizike vjeruje da se približavamo prvom otkrivanju nanohercnih gravitacijskih valova.”
Dva glavna izvora za nanohercne gravitacijske valove
Iako su dokazi obećavajući, još uvijek ne dosežu apsolutnu potvrdu. Asada napominje da će, ako budući podaci ojačaju rezultat, sljedeći korak biti precizno odrediti izvor. “Postoje dva glavna izvora za nanohercne gravitacijske valove”, objašnjava. “Jedna je kozmička inflacija, koja bi stvorila fluktuacije prostor-vremena u vrlo ranom svemiru, kasnije rastegnute na kozmičke razmjere. Drugi su supermasivni binarni sustavi crnih rupa, koji nastaju spajanjem galaksija. Oba scenarija mogla bi generirati nanohercne gravitacijske valove.”
Razlikovanje ovih mogućnosti bilo je teško jer su obrasci korelacije viđeni u podacima o pulsarima – način na koji se vremenske razlike između pulsara međusobno odnose – nekada bili smatrani sličnima u oba slučaja. “U našem radu istražili smo situaciju u kojoj obližnji par supermasivnih crnih rupa proizvodi posebno jak signal,” kaže Asada. “Ako dva takva sustava imaju vrlo slične frekvencije, njihovi valovi mogu interferirati i stvoriti obrazac otkucaja, kao u akustici. Ta bi nam značajka, načelno, mogla omogućiti da ih razlikujemo od stohastičkog konteksta inflacije.”
Asada i Yamamoto stoga koriste poznati akustični efekt: ritmove. Kada dva vala imaju gotovo – ali ne točno – istu frekvenciju, njihova superpozicija povremeno pojačava i slabi. Primijenjena na gravitacijske valove, dvije supermasivne crne rupe binarne strukture sličnih frekvencija ostavile bi karakterističnu modulaciju u signalu tempiranja pulsara. Metoda je tražiti tu modulaciju – “otkucaj” – u korelacijskim obrascima pulsara. Ako je prisutan, to snažno sugerira da signal nije difuzna pozadina, već dolazi iz specifičnih, relativno bliskih binarnih sustava.
Sada čekamo jaču potvrdu o prirodi pulsarskog signala. “Mislim da će, kad se postigne potvrđena detekcija na 5-sigma, možda za nekoliko godina, sljedeći korak biti pitanje: koje je podrijetlo valova? U tom trenutku, naša metoda mogla bi biti korisna za razlikovanje dolaze li od inflacije ili od obližnjih supermasivnih binarnih crnih rupa,” zaključuje Asada.
Bilješka:
- Shun Yamamoto, Hideki Asada. Možemo li čuti otkucaje s pulsarnim vremenskim nizovima? Journal of Cosmology and Astroparticle Physics JCAP, 14. listopada 2025. DOI: 10.48550/arXiv.2501.13450
