RW Space

Вселенная должна гудеть.

Каждая сверхновая, каждое слияние нейтронных звезд или черных дыр, даже быстро вращающиеся одиночные нейтронные звезды могут или должны быть источником гравитационных волн.

Если быстрое расширение пространства после Большого Взрыва 13,8 миллиарда лет назад должно было породить собственный каскад гравитационных волн.

Как камень, брошенный в пруд, эти массовые события должны вызвать рябь, отражающуюся в сама ткань пространства-времени — слабое расширение и сжатие пространства, которые мы могли бы обнаружить как расхождения в том, что должно быть точно синхронизированными сигналами.

В совокупности эта смесь сигналов образует случайный или «стохастический» сигнал. ‘, известный как фон гравитационных волн, и это, возможно, одно из самых востребованных открытий в астрономии гравитационных волн.

Новый рубеж в исследовании космоса

Считается, что так же, как открытие космического микроволнового фона предшествовало (и продолжает делать) – что обнаружение фона гравитационных волн полностью раскроет наше понимание Вселенной и ее эволюции.

«Обнаружение стохастического фона гравитационного излучения может предоставить обширную информацию о популяциях астрофизических источников и процессах в самом начале Вселенной, которые недоступны никаким другим способом», — объясняет физик-теоретик Сьюзан Скотт из Австралийского национального университета и Центра передового опыта ARC по открытию гравитационных волн.

«Например, электромагнитное излучение не дает картину Вселенной любой более ранней, чем время последнего рассеяния (около 400 000 лет после Большого Взрыва). Однако гравитационные волны могут дать нам информацию вплоть до начала инфляции, всего через ~10^-32 секунд после Большого взрыва.»

Чтобы понять важность фона гравитационных волн, мы должны немного поговорить о другом реликте Большого взрыва: космическом микроволновом фоне, или CMB.

Через несколько мгновений после того, как наша Вселенная начала тикать и пространство начало остывать, бурлящая пена, которая была всем, застыла в непрозрачный суп из субатомных частиц в форме ионизированной плазмы.

Любое излучение, выходящее вместе с ним, рассеивалось, не давая ему уйти на большое расстояние. Только после того, как эти субатомные частицы рекомбинировались в атомы, в эпоху, известную как Эпоха Рекомбинации, свет мог свободно перемещаться по Вселенной и далее вниз через эоны.

Первая вспышка света пронеслась через пространство примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, и по мере того, как Вселенная росла и росла в последующие миллиарды лет, этот свет проникал во все уголки. Это все еще вокруг нас сегодня. Это излучение очень слабое, но его можно обнаружить, особенно в микроволновом диапазоне. Это реликтовое излучение, первый свет во Вселенной.

Неоднородности в этом свете, называемые анизотропиями, были вызваны небольшими флуктуациями температуры, представленными этим первым светом. Трудно переоценить, насколько феноменальным было его открытие: реликтовое излучение — один из немногих имеющихся у нас зондов состояния ранней Вселенной.

Открытие фона гравитационных волн было бы великолепным повторением этого достижения. .

«Мы ожидаем, что обнаружение и анализ фона гравитационных волн произведет революцию в нашем понимании Вселенной, — говорит Скотт, — точно так же, как первопроходцем стало наблюдение космического микроволнового фона и его анизотропии. «

Слухи после взрыва-катастрофы

Первое обнаружение гравитационных волн было сделано совсем недавно, в 2015 году.

Две черные дыры, которые столкновение примерно 1,4 миллиарда лет назад вызвало рябь, распространяющуюся со скоростью света; на Земле эти расширения и сжатия пространства-времени очень слабо приводили в действие инструмент, который разрабатывался и совершенствовался десятилетиями, ожидая обнаружения именно такого события.

Это было монументальное открытие по нескольким причинам. Это впервые дало нам прямое подтверждение существования черных дыр.

Это подтвердило предсказание общей теории относительности, сделанное 100 лет назад, о том, что гравитационные волны реальны.

И это означало, что этот инструмент, интерферометр гравитационных волн, над которым ученые работали в течение многих лет, произведет революцию в нашем понимании черных дыр.

И это произошло. Интерферометры LIGO и Virgo на сегодняшний день обнаружили около 100 событий гравитационных волн: тех, которые достаточно сильны, чтобы произвести заметный сигнал в данных.

Эти интерферометры используют лазеры, светящиеся в специальные туннели длиной в несколько километров. На эти лазеры воздействует растяжение и сжатие пространства-времени, создаваемое гравитационными волнами, генерируя интерференционную картину, по которой ученые могут сделать вывод о свойствах компактных объектов, генерирующих сигналы.

Но фон гравитационных волн неизвестен. другой зверь.

«Астрофизический фон создается запутанным шумом многих слабых, независимых и неразрешенных астрофизических источников», – говорит Скотт.

«Наша наземная гравитационная волна детекторы LIGO и Virgo уже обнаружили гравитационные волны от десятков отдельных слияний пары черных дыр, но ожидается, что астрофизический фон от слияний двойных черных дыр звездной массы станет ключевым источником GWB для этого поколения детекторов. известно, что существует большое количество таких слияний, которые невозможно разрешить по отдельности, а вместе они производят гул случайного шума в детекторах».

Скорость, с которой двойные черные дыры сталкиваются в Unive rse неизвестно, но скорость, с которой мы можем их обнаружить, дает нам базовый уровень, на основе которого мы можем сделать оценку.

Ученые считают, что происходит примерно одно слияние в минуту, и несколько в час, при этом обнаруживаемый сигнал каждого из них длится всего доли секунды. Эти отдельные случайные сигналы, вероятно, были бы слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить, но в совокупности они создавали бы статический фоновый шум; астрофизики сравнивают его со звуком лопающегося попкорна.

Это мог бы быть источник сигнала стохастической гравитационной волны, который мы могли бы ожидать с помощью таких инструментов, как интерферометры LIGO и Virgo. Эти инструменты в настоящее время проходят техническое обслуживание и подготовку, и к ним присоединится третья обсерватория, KAGRA в Японии, в новом цикле наблюдений в марте 2023 года. Об обнаружении GWB попкорна этим сотрудничеством не может быть и речи.

Однако это не единственные инструменты в наборе гравитационных волн. А другие инструменты смогут обнаруживать другие источники фона гравитационных волн. Одним из таких инструментов, до которого еще 15 лет, является космическая антенна лазерного интерферометра (LISA), запуск которой запланирован на 2037 год.

Он основан на той же технологии, что и LIGO и Virgo, но с «руками», которые имеют длину 2,5 миллиона километров. Он будет работать в гораздо более низкочастотном режиме, чем LIGO и Virgo, и поэтому сможет обнаруживать различные виды гравитационных волн.

«GWB не всегда похож на попкорн», — говорит Скотт ScienceAlert.

«Он также может состоять из отдельных детерминированных сигналов. которые перекрываются во времени, создавая шум путаницы, похожий на фоновые разговоры на вечеринке. Примером шума путаницы является гравитационное излучение, создаваемое галактическим населением компактных двойных белых карликов. Это будет важным источником шума путаницы для LISA. В этом случае стохастический сигнал настолько силен, что становится передним планом, действуя как дополнительный источник шума при попытке обнаружить другие слабые сигналы гравитационных волн в той же полосе частот.»

LISA теоретически может также обнаружить космологические источники фона гравитационных волн, такие как космическая инфляция сразу после Большого взрыва или космические струны — теоретические трещины во Вселенной, которые могли образоваться в конце инфляции, теряя энергию через гравитационные волны.

Хронометраж пульса космос

Есть также одна огромная гравитационно-волновая обсерватория галактического масштаба, которую ученые изучают в поисках намеков на фон гравитационных волн: массивы синхронизации пульсаров. Пульсары — это разновидность нейтронных звезд, останки когда-то массивных звезд, которые погибли во время вспышки сверхновой, оставив после себя лишь плотное ядро.

Пульсары вращаются таким образом, что лучи радиоизлучения их полюса проносятся мимо Земли, как космический маяк; некоторые из них делают это с невероятно точными интервалами, что полезно для целого ряда приложений, таких как навигация.

Но растяжение и сжатие пространства-времени теоретически должно создавать крошечные неравномерности во времени. пульсар вспыхивает.

Один пульсар, показывающий небольшие несоответствия во времени, может не иметь большого значения, но если группа пульсаров демонстрирует коррелированные несоответствия во времени, это может свидетельствовать о гравитационных волнах, создаваемых спиралью сверхмассивных черных дыр.

Ученые обнаружили заманчивые намеки на этот источник фона гравитационных волн в хронометрах пульсаров, но у нас пока недостаточно данных, чтобы определить, так ли это.

Мы стоим так заманчиво близко к обнаружению фона гравитационных волн: астрофизический фон, раскрывающий поведение черных дыр во Вселенной; и космологический фон — квантовые флуктуации, наблюдаемые в реликтовом излучении, инфляция, сам Большой Взрыв.

Это, по словам Скотта, и есть белый кит: тот, кого мы увидим только после тяжелой работы по дразнению разделить фон на дискретные источники, составляющие зашумленное целое.

«Хотя мы с нетерпением ждем большого количества информации, полученной от обнаружения астрофизически созданного фона, наблюдение гравитационных волн от Большого На самом деле взрыв — это конечная цель гравитационно-волновой астрономии», — говорит она.

«Убрав эту двойную черную дыру на передний план, предлагаемые наземные детекторы третьего поколения, такие как телескоп Эйнштейна и космический исследователь, смогут быть чувствительным к космологически созданному фону с 5-летними наблюдениями, тем самым входя в область, где могут быть сделаны важные космологические наблюдения.»