Revolutionen i vår förståelse av natthimlen och vår plats i universum började när vi övergick från att använda blotta ögat till ett teleskop 1609. Fyra århundraden senare, forskare upplever en liknande övergång i sin kunskap om svarta hål genom att söka efter gravitationsvågor.

I sökandet efter tidigare oupptäckta svarta hål som är miljarder gånger mer massiva än solen, Stephen Taylor, biträdande professor i fysik och astronomi och tidigare astronom vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) tillsammans med North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) samarbete har flyttat forskningsområdet framåt genom att hitta den exakta platsen – tyngdpunkten för vår solsystemet — med vilket man kan mäta gravitationsvågorna som signalerar existensen av dessa svarta hål.

Potentialen som detta framsteg erbjuder, medförfattare av Taylor, publicerades i tidskriften Astrofysisk tidskrift i april 2020.

Svarta hål är områden med ren gravitation som bildas från extremt skev rumtid. Att hitta de mest titaniska svarta hålen i universum som lurar i hjärtat av galaxer kommer att hjälpa oss att förstå hur sådana galaxer (inklusive vår egen) har vuxit och utvecklats under de miljarder år sedan de bildades. Dessa svarta hål är också oöverträffade laboratorier för att testa grundläggande antaganden om fysik.

Gravitationsvågor är krusningar i rumtiden som förutspås av Einsteins allmänna relativitetsteori. När svarta hål kretsar om varandra i par, de utstrålar gravitationsvågor som deformerar rumtiden, sträcka och klämma utrymme. Gravitationsvågor upptäcktes först av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) 2015, öppnar nya vyer över de mest extrema objekten i universum. Medan LIGO observerar relativt korta gravitationsvågor genom att leta efter förändringar i formen av en 4 km lång detektor, NANOGrav, ett National Science Foundation (NSF) Physics Frontiers Center, letar efter förändringar i formen på hela vår galax.

Taylor och hans team letar efter förändringar i ankomstfrekvensen för regelbundna blixtar av radiovågor från pulsarer. Dessa pulsarer är snabbt snurrande neutronstjärnor, vissa går lika fort som en köksmixer. De skickar också ut strålar av radiovågor, framstår som interstellära fyrar när dessa strålar sveper över jorden. Över 15 års data har visat att dessa pulsarer är extremt pålitliga i sina pulsankomsthastigheter, fungerar som enastående galaktiska klockor. Alla tidsavvikelser som är korrelerade över många av dessa pulsarer kan signalera påverkan av gravitationsvågor som förvränger vår galax.

"Med hjälp av pulsarerna vi observerar över Vintergatans galax, vi försöker vara som en spindel som sitter i stillhet mitt i hennes nät, " förklarar Taylor. "Hur väl vi förstår solsystemets barycenter är avgörande när vi försöker känna till och med det minsta pirret till nätet." Solsystemets barycenter, dess tyngdpunkt, är platsen där massorna av alla planeter, månar, och asteroider balanserar ut.

Var är mitten av vår webb, platsen för den absoluta stillheten i vårt solsystem? Inte i mitten av solen som många kanske tror, snarare är den närmare stjärnans yta. Detta beror på Jupiters massa och vår ofullkomliga kunskap om dess omloppsbana. Det tar 12 år för Jupiter att kretsa runt solen, bara blyg för de 15 år som NANOGrav har samlat in data. JPL:s Galileo-sond (uppkallad efter den berömda vetenskapsmannen som använde ett teleskop för att observera Jupiters månar) studerade Jupiter mellan 1995 och 2003, men upplevde tekniska problem som påverkade kvaliteten på de mätningar som gjordes under uppdraget.

Att identifiera solsystemets tyngdpunkt har länge beräknats med data från dopplerspårning för att få en uppskattning av platsen och banorna för kroppar som kretsar runt solen. "Fångsten är att fel i massorna och banorna kommer att översättas till pulsar-timing artefakter som mycket väl kan se ut som gravitationsvågor, " förklarar JPL-astronomen och medförfattaren Joe Simon.

Taylor och hans medarbetare upptäckte att arbetet med befintliga solsystemmodeller för att analysera NANOGrav-data gav inkonsekventa resultat. "Vi upptäckte inte något signifikant i våra gravitationsvågssökningar mellan solsystemmodeller, men vi fick stora systematiska skillnader i våra beräkningar, " noterar JPL-astronomen och tidningens huvudförfattare Michele Vallisneri. "Typiskt, mer data ger ett mer exakt resultat, men det fanns alltid en offset i våra beräkningar."

Gruppen bestämde sig för att söka efter solsystemets tyngdpunkt samtidigt som de letade efter gravitationsvågor. Forskarna fick mer robusta svar på att hitta gravitationsvågor och kunde mer exakt lokalisera solsystemets tyngdpunkt inom 100 meter. För att förstå den skalan, om solen vore lika stor som en fotbollsplan, 100 meter skulle vara diametern på ett hårstrå. "Vår exakta observation av pulsarer utspridda över galaxen har lokaliserat oss i kosmos bättre än vi någonsin kunnat förut, " sa Taylor. "Genom att hitta gravitationsvågor på detta sätt, förutom andra experiment, vi får en mer holistisk överblick över alla olika typer av svarta hål i universum."

När NANOGrav fortsätter att samla in allt mer riklig och exakt pulsartiddata, astronomer är övertygade om att massiva svarta hål kommer att dyka upp snart och otvetydigt i data.