Впервые астрономы услышали фоновый «гул» Вселенной
Судя по тому, что мы знаем о гравитационных волнах, Вселенная должна быть полна ими. Каждая сталкивающаяся пара черных дыр или нейтронных звезд, каждая сверхновая с коллапсом ядра — даже сам Большой взрыв — должны были вызвать рябь, звенящую в пространстве-времени.
По прошествии времени эти волны ослабели, и их будет трудно найти, но все они предсказываются как резонансный «гул», пронизывающий нашу Вселенную, называемый фоном гравитационных волн. И, возможно, мы только что уловили первый намек на это.
Вы можете думать о фоне гравитационных волн как о чем-то вроде звона, оставленного после массивных событий на протяжении всей истории нашей Вселенной — потенциально бесценного для нашего понимания космоса, но невероятно трудного для обнаружения.
«Невероятно интересно видеть такой сильный сигнал», — сказал астрофизик Джозеф Саймон из Университета Колорадо в Боулдере и сотрудника NANOGrav.
«Однако, поскольку сигнал гравитационных волн, который мы ищем, охватывает всю продолжительность наших наблюдений, нам необходимо тщательно исключить шумы. Это оставляет нас в очень интересном месте, где мы можем полностью исключить некоторые известные источники шума, но мы пока не можем сказать, действительно ли сигнал исходит от гравитационных волн. Для этого нам потребуется больше данных».
Тем не менее, научное сообщество в восторге. С момента публикации препринта команды в arXiv в сентябре прошлого года появилось более 80 статей, цитирующих это исследование.
Международные команды много работали, анализируя данные, чтобы попытаться опровергнуть или подтвердить результаты ученых. Если окажется, что сигнал реальный, это может открыть совершенно новый этап гравитационно-волновой астрономии — или открыть нам совершенно новые астрофизические явления.
Сигнал исходит от наблюдений за мертвой звездой, называемой пульсаром. Это нейтронные звезды, которые ориентированы таким образом, что они испускают радиоволны со своих полюсов, вращаясь с миллисекундными скоростями.
Эти вспышки невероятно точно рассчитаны по времени, а это означает, что пульсары, возможно, являются самыми полезными звездами во Вселенной. Изменения в их пульсации могут быть использованы для навигации, для исследования межзвездной среды и изучения гравитации. И с момента открытия гравитационных волн астрономы использовали для их поиска.
Это потому, что гравитационные волны искривляют пространство-время, когда они проходят через него, что теоретически должно изменить — совсем немного — время радиоимпульсов, излучаемых пульсарами.
«Фон [гравитационной волны] растягивается и сжимается в пространстве-времени между пульсарами и Землей, заставляя сигналы от пульсаров приходить немного позже (растягиваться) или раньше (сжиматься), чем это могло бы произойти, если бы не было гравитационных волн», — астрофизик Райан Шеннон из Технологического университета Суинберна.
Один пульсар с нерегулярным биением не обязательно много значит. Но если бы целая группа пульсаров показывала коррелированный образец изменения времени, это могло бы указывать на фон гравитационных волн.
Такой набор пульсаров известен как временная матрица пульсаров, и это то, что наблюдала команда NANOGrav — 45 самых стабильных миллисекундных пульсаров в Млечном Пути.
Они не совсем обнаружили сигнал, который подтвердил бы фон гравитационной волны.
Но они кое-что обнаружили — сигнал «обычного шума», который, как объяснил Шеннон, варьируется от пульсара к пульсару, но каждый раз демонстрирует одинаковые характеристики. Эти отклонения привели к вариациям в несколько сотен наносекунд в течение 13-летнего периода наблюдений, отметил Саймон.
Есть и другие вещи, которые могут вызвать этот сигнал. Например, массив синхронизации пульсаров необходимо анализировать из системы отсчета, которая не ускоряется, а это означает, что любые данные необходимо переносить в центр Солнечной системы, известный как барицентр, а не на Землю.
Если барицентр рассчитан неточно – а это сложнее, чем кажется, поскольку это центр масс всех движущихся объектов Солнечной системы — тогда вы можете получить ложный сигнал. В прошлом году команда NANOGrav объявила, что они вычислили барицентр Солнечной системы с точностью до 100 метров.
По-прежнему существует вероятность того, что это несоответствие может быть источником обнаруженного ими сигнала, и для его устранения необходимо провести дополнительную работу.
Потому что, если сигнал действительно исходит от гудящей резонансной гравитационной волны, это было бы огромной проблемой, поскольку источником этих фоновых гравитационных волн, вероятно, являются сверхмассивные черные дыры (СМЧД).
Поскольку гравитационные волны показывают нам явления, которые мы не можем обнаружить электромагнитным путем, например столкновения черных дыр, это может помочь решить такие загадки, как последняя проблема парсеков, которая предполагает, что сверхмассивные черные дыры не могут сливаться, и поможет нам лучше понять галактическую эволюцию и рост.
В дальнейшем мы, возможно, даже сможем обнаружить гравитационные волны, возникшие сразу после Большого взрыва, что даст нам уникальное окно в раннюю Вселенную.
Чтобы быть ясным, предстоит проделать большую научную работу, прежде чем мы дойдем до этой точки.
«Это возможный первый шаг к обнаружению гравитационных волн с частотой наногерц», — сказал Шеннон. «Я хотел бы предостеречь общественность и ученых не переоценивать результаты. Я думаю, что в ближайшие год или два появятся доказательства относительно природы сигнала».
Другие команды также работают над использованием массивов синхронизации пульсаров для обнаружения гравитационных волн. OzGrav является частью Parkes Pulsar Timing Array, которая вскоре выпустит анализ своих 14-летних наборов данных.
Исследование группы опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.
Источники: Фото: (NASA, ESA, HEIC, and The Hubble Heritage Team, STScI/AURA)
