Что такое Пульсарная временная решетка (PTA)?
Пульсарная временная решетка (анг. pulsar timing array, PTA) это, по сути, самый большой детектор гравитационных волн из всех, что когда-либо создавало человечество. Только вместо зеркал и лазеров, которые используют наземные обсерватории вроде LIGO, этот детектор использует в качестве измерительных приборов сами звезды.
Речь идет о миллисекундных пульсарах, невероятно плотных нейтронных звездах, которые вращаются с огромной скоростью и посылают к Земле радиоимпульсы с точностью лучших атомных часов. Ученые по всему миру уже много лет ведут наблюдения за десятками таких пульсаров, разбросанных по всей нашей Галактике, и непрерывно измеряют время прибытия их сигналов. Если через эту решетку из пульсаров и Земли проходит гравитационная волна, она слегка растягивает или сжимает пространство-время, из-за чего импульсы приходят чуть раньше или чуть позже. Эти изменения невероятно малы, всего несколько десятков наносекунд, но благодаря стабильности миллисекундных пульсаров и многолетним наблюдениям их можно зафиксировать.
Однако работать с одним пульсаром почти бесполезно, потому что слишком много других факторов могут повлиять на время прихода сигнала. Например, межзвездная среда, неточности в движении Земли или ошибки в наших моделях Солнечной системы. Именно поэтому астрономы используют целый массив пульсаров.
Гравитационная волна воздействует на все пульсары одновременно, но на каждый по-своему, в зависимости от того, под каким углом он находится на небе. Если сравнить задержки сигналов от множества пар пульсаров и посмотреть, как эти задержки зависят от расстояния между пульсарами на небе, то можно увидеть уникальную картину. Для пульсаров, которые расположены близко друг к другу, задержки будут скоординированы положительно, затем, по мере увеличения углового расстояния, корреляция падает до нуля, а для пульсаров, разнесенных примерно на девяносто градусов, она становится отрицательной.
Такая характерная волнообразная зависимость является уникальным отпечатком гравитационных волн, предсказанным общей теорией относительности еще в начале восьмидесятых годов 20 века. Никакой другой источник шума, будь то несовершенство наших часов, турбулентность в межзвездной среде или ошибки в эфемеридах планет, не может создать такую специфическую угловую картину. Именно эта корреляция, получившая название кривой Хеллингса-Даунса, служит решающим доказательством того, что мы действительно видим гравитационные волны, а не какой-то иной общий сигнал.
Главная цель работы всех пульсарных временных решеток — обнаружить так называемый стохастический фон гравитационных волн. В отличие от одиночных всплесков, которые регистрируют LIGO и Virgo при слиянии двух черных дыр звездных масс, этот фон представляет собой непрерывный низкочастотный гул, который пронизывает всю Вселенную. Основными источниками этого гула считаются сверхмассивные двойные черные дыры, расположенные в центрах сливающихся галактик.
Таких пар во Вселенной огромное множество, и каждая из них создает гравитационные волны, которые накладываются друг на друга, формируя случайный, стохастический фон. Этот фон несет в себе бесценную информацию о том, как формировались и эволюционировали галактики на протяжении космической истории, как сверхмассивные черные дыры сближаются и сливаются, а также о возможных экзотических процессах в ранней Вселенной, таких как распад космических струн или инфляционные процессы.
В июне 2023 года сразу несколько международных коллабораций, в том числе североамериканская NANOGrav, европейская EPTA, австралийская PPTA и китайская CPTA, объявили о важнейшем прорыве. После многих лет накопления данных, в каждом из проектов были получены убедительные свидетельства существования этого наногерцового гравитационно-волнового фона. Самое главное, что они не просто увидели какой-то общий для всех пульсаров сигнал, но и измерили его пространственную корреляцию, которая с высокой точностью совпала с предсказанной кривой Хеллингса-Даунса. Это стало первым прямым наблюдением гравитационных волн сверхдлинного периода и открыло совершенно новое окно в астрофизику.
Теперь, когда фон обнаружен, ученым предстоит еще более сложная работа: нужно понять, какой именно вклад в этот фон вносят сверхмассивные черные дыры, есть ли там сигналы от космических струн или ранней Вселенной, а также попытаться найти отдельные, особенно мощные источники, которые создают анизотропии — небольшие отклонения от равномерного фона. Это позволит не только проверить фундаментальные теории гравитации, но и использовать сверхмассивные двойные черные дыры в качестве космических сирен для независимого измерения скорости расширения Вселенной.
Пульсарные временные решетки уже доказали свою эффективность, и с каждым годом, по мере накопления новых данных и включения в работу еще более чувствительных телескопов, они будут открывать нам все более детальную картину скрытой ранее гравитационной жизни Вселенной.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
