Ритм космоса: новый метод отличит фон гравитационных волн от голоса черных дыр

Вселенная наполнена музыкой, которую мы не слышим. Ее ритм отбивают пульсары — стремительно вращающиеся нейтронные звезды, чьи радиоимпульсы доходят до Земли с фантастической точностью. Эти небесные метрономы не только служат ориентирами в безбрежном океане космоса, но и становятся сверхчувствительными детекторами, способными уловить рябь самого пространства-времени.

В 2023 году научное сообщество взволнованно заговорило о первом убедительном свидетельстве существования сверхнизкочастотных гравитационных волн, обнаруженных благодаря многолетним наблюдениям за пульсарами. Однако сам факт их обнаружения породил новый, еще более интригующий вопрос: что именно заставляет ткань космоса колебаться? Является ли этот сигнал суммой голосов миллионов далеких источников, слившихся в единый хор, или же мы слышим мощный дуэт двух ближайших сверхмассивных черных дыр?

Ответ на эту загадку может скрываться в тонком физическом явлении — биениях. Подобно тому как две близкие по частоте музыкальные ноты, накладываясь, рождают характерное периодическое усиление звука, гравитационные волны от двух пар черных дыр со схожими орбитальными периодами могут интерферировать, создавая уникальную модуляцию в стройном ритме пульсаров.

Именно этот принцип лег в основу метода, предложенного физиками Хидеки Асадой и Шуном Ямамото из Университета Хиросаки. Их исследование, опубликованное в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, открывает новый путь в анализе данных пульсарного хронометража, предлагая инструмент для различения двух фундаментально разных космологических сценариев.

До недавнего времени считалось, что паттерны корреляций в данных от разных пульсаров выглядят статистически идентично как для случая стохастического фона, возникшего от инфляции в ранней Вселенной, так и для фона от множества слияний галактик. Это создавало серьезную проблему для интерпретации. Наногерцовые гравитационные волны имеют периоды от нескольких месяцев до нескольких лет и длины волн в световые годы, что делает невозможным их детектирование с помощью наземных обсерваторий типа LIGO. Пульсары остаются единственным инструментом для изучения этой области, и их сигналы — это крошечные, наносекундные, отклонения во времени прихода импульсов, которые нужно аккуратно расшифровывать годами.

Подход Асады и Ямамото вносит решающий вклад в эту расшифровку. Они предлагают искать в данных не просто общую корреляцию, а специфический отпечаток биений, который мог бы возникнуть, если бы в относительной близости от нашей Галактики существовали две двойные системы сверхмассивных черных дыр с почти совпадающими частотами.

Их гравитационные волны, интерферируя, создавали бы медленную модуляцию — «пульсацию» самого гравитационно-волнового сигнала, которая, в свою очередь, оставляла бы характерный след в остатках синхронизации пульсаров. Обнаружение такой модуляции стало бы убедительным аргументом в пользу того, что доминирующий вклад в наблюдаемый сигнал вносят не реликтовые волны инфляции, а отдельные астрофизические объекты.

Таким образом, новая работа ученых прокладывает мост между текущим этапом, который профессор Асада охарактеризовал как «убедительное доказательство», и будущим, когда обнаружение будет подтверждено на уровне пяти сигм. Когда это произойдет, на первый план выйдет вопрос о происхождении волн, и метод биений может стать ключевым инструментом для предоставления ответа. Это не просто техническое усовершенствование анализа; это потенциальное окно в динамические процессы слияния галактик и эволюции сверхмассивных черных дыр в нашей космической окрестности, а также способ проверить фундаментальные физические теории, описывающие рождение самой Вселенной.