Ученые объявили о первом существенном свидетельстве фона гравитационных волн
Коллаборация NANOGrav, входящая в состав Международной сети измерения времени пульсаров (IPTA), объявила о первом существенном свидетельстве долгожданного гравитационно-волнового фона, низкочастотной вибрации пространства-времени, которая, как ожидается, пронизывает всю Вселенную. Это достижение стало результатом 15-летней работы по созданию детектора наногерцовых гравитационных волн размером с галактику.
Детектор, известный как Pulsar Timing Array, работает с пульсарами, особым типом нейтронных звезд. Нейтронная звезда — это коллапс ядра массивной звезды, которая стала сверхновой, но не стала достаточно тяжелой, чтобы превратиться в черную дыру. Некоторые нейтронные звезды испускают импульсы излучения, действуя как маяк, и особый класс этих пульсаров вращается вокруг своей оси сотни раз в секунду.
Эти миллисекундные пульсары — не просто космические маяки — они также являются точными часами, поскольку интервалы между импульсами остаются потрясающе регулярными. Но есть вещи, которые влияют на наблюдаемую синхронизацию импульсов, например влияние звезды-компаньона на пульсар, межзвездная среда и положение Земли. Когда все это принимается во внимание, остается эффект изменения пространства-времени гравитационными волнами. Эти волны растягивают и толкают пространство-время, незначительно изменяя длину импульса.
«Тайминг пульсара — это процесс создания модели, которая предсказывает каждый импульс пульсара, простирающийся далеко в будущее», — сказал Танфул Кромарти, председатель рабочей группы NANOGrav. «Он проводится с точностью, которая конкурирует с атомными часами, что необходимо для чувствительности гравитационных волн, которую мы пытаемся достичь».
Таким образом, измерив вращение пульсаров с ошеломляющей точностью, астрономы узнали о невиданных ранее вибрациях в пространстве-времени.
Они еще не называют это открытием, потому что данные не достигли легендарного порога в 5 сигм. Но вероятность того, что фоновый шум имитирует данные, составляет 1 к 1000, а в некоторых тестах — 1 к 10 000.
Отсюда утверждение, что это убедительное доказательство, самое сильное из всех, подтверждающих наличие фона гравитационных волн.
Частота этих волн намного ниже той, что наблюдается в обсерваториях на Земле, а те уже довольно чувствительны. Детекторы LIGO и Virgo могут обнаруживать изменения в пространстве-времени на доли атома. Но новое исследование идет еще дальше, и именно поэтому детектор должен быть еще больше.
В массиве NANOGrav есть 68 миллисекундных пульсаров, каждый из которых действует как плечо детектора.
«Амплитуда, которую мы измеряем, невероятно мала. Примерно одна часть из квадриллиона», — пояснил Майкл Лам, сопредседатель рабочей группы. «И это намного ниже, чем шум в каждом отдельном пульсаре. И поэтому единственный способ, которым мы действительно можем сделать это измерение, — это сопоставить измерения между каждым отдельным пульсом».
Гравитационные волны, которые были обнаружены до сих пор, возникли в результате конкретных событий. Но предыстория, доказательства которой были представлены, состоит не из одного события. Считается, что эти волны исходят от всех пар сверхмассивных черных дыр, расположенных во Вселенной, хотя вполне возможно, что некоторые из волн исходят от самого Большого взрыва или периода космической инфляции.
Когда галактики сливаются, их сверхмассивные черные дыры движутся навстречу друг другу. В конечном итоге они окажутся на орбитах друг друга и сольются. Ученые не совсем уверены, как все это происходит. Это называется проблемой последнего парсека, поскольку им нужно потерять много энергии, чтобы в конечном итоге слиться.
Считается, что фон гравитационных волн состоит из волн, создаваемых сверхмассивными черными дырами, которые уже преодолели такой порог и, как ожидается, сольются в течение 10 000–100 000 лет. И это массовые и частые события.
«Чтобы получить эти типы амплитуд, которые мы наблюдаем, нам нужны довольно массивные черные дыры, и они должны формировать двойные системы довольно часто и достаточно эффективно развиваться», — говорят исследователи.
Должна быть возможность отличить сигнал от двойных сверхмассивных черных дыр и то, что пришло от рождения Вселенной. Ключом к этому будет анизотропия, из-за которой разные области неба будут выглядеть по-разному, поскольку пары черных дыр не будут распределены одинаково повсюду.
Ученые надеются, что в конечном итоге смогут сделать это, а также найти местоположение в небе конкретных двойных сверхмассивных черных дыр. Эта последняя цель может быть достигнута скорее раньше, чем позже — может быть, через год или два, благодаря IPTA. Четырьмя основными членами IPTA являются Parkes Pulsar Timing Array (PPTA), European Pulsar Timing Array (EPTA), India Pulsar Timing Array (InPTA) и NANOGrav, при этом группы в Южной Африке и Китае являются наблюдателями, а новая группа в Аргентине начинает работать над проектом.
Эти группы также опубликовали свои результаты сегодня. Учитывая разную чувствительность телескопов и количество пульсаров, видимых по всему миру, данные одних групп более убедительны, чем данные других — китайская, например, имеет большую достоверность, но за более короткий период времени, — но вместе они указывают на то, что доказательства независимо поддерживаются.
«Результаты, представленные сегодня, знаменуют собой начало нового путешествия во Вселенную, чтобы раскрыть некоторые из ее неразгаданных тайн», — говорится в заявлении Майкла Кейта, члена EPTA . «Мы невероятно взволнованы тем, что после десятилетий работы сотен астрономов и физиков по всему миру мы наконец видим сигнатуру гравитационных волн из далекой Вселенной».
Следующим шагом для IPTA является объединение всех данных и их совместный анализ. В каталоге IPTA будет 115 пульсаров, и команда надеется, что он недвусмысленно покажет существование фона гравитационных волн и даже расположение двойных пар сверхмассивных черных дыр, за которыми будут следить другие телескопы.
Чтобы найти сигналы, оставшиеся после Большого взрыва, потребуется больше пары лет, но если фундамент прочный, IPTA сделает больше открытий. Сотни ученых по всему миру работают над распутыванием этих космических вибраций.
Статьи, в которых представлены эти результаты, опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.