Более века назад, в 1916 году, Альберт Эйнштейн в рамках своей общей теории относительности предсказал существование гравитационных волн — ряби в самой ткани пространства-времени. Он предположил, что эти волны должны возникать при катастрофических событиях во Вселенной, связанных с движением массивных объектов, которые искривляют пространство-время вокруг себя.
Потребовалось сто лет, чтобы это предсказание получило прямое подтверждение. 11 февраля 2016 года коллаборация LIGO-Virgo объявила о первой в истории регистрации гравитационных волн от слияния двух черных дыр, зафиксированной в сентябре 2015 года. Это событие, подобно космическому колоколу, послало колебания через пространство-время, которые достигли Земли и были уловлены сверхчувствительными детекторами.
Новая глава в этой истории была открыта 29 июня 2023 года. Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) сообщила о первом прямом обнаружении стохастического фона гравитационных волн (GWB). Это открытие стало результатом 15 лет кропотливых наблюдений за 68 пульсарами — космическими маяками. Происхождение этого фонового «гула» Вселенной пока остается загадкой и требует дальнейших исследований.
Иллюстрация, показывающая положение пульсаров Млечного Пути, данные о которых использовались в 15-летнем исследовании NANOGrav. Синие звезды обозначают пульсары, а желтая звезда в центре — положение Земли. Что такое стохастический гравитационно-волновой фон?
Стохастический гравитационно-волновой фон — это не отдельный четкий сигнал, а скорее постоянный «шум» или «гул», создаваемый множеством различных источников по всей Вселенной. Если гравитационные волны от слияния черных дыр можно сравнить с отдельными мощными аккордами, то стохастический фон — это непрерывный низкочастотный гул, состоящий из наложения множества слабых сигналов.
Этот фоновый гул является своеобразной звуковой дорожкой Вселенной. Его потенциальными источниками могут быть совокупные волны от многочисленных слияний сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик или даже реликтовые волны, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва, в эпоху космической инфляции.
Долгое время обнаружить этот фон было невозможно. Низкочастотные гравитационные волны создают чрезвычайно слабые возмущения, которые не под силу зафиксировать таким инструментам, как LIGO. Кроме того, измерения осложняются множеством фоновых шумов — от атмосферных помех до инструментальных погрешностей. Для их фильтрации и выделения истинного сигнала требуются сложнейшие технологии анализа данных, собранных за многие годы.
Как был обнаружен фоновый гул Вселенной?
Доказательства существования стохастического фона были получены с помощью метода «Массива времени пульсаров» (Pulsar Timing Array, PTA). Этот метод основан на наблюдении за пульсарами — быстро вращающимися нейтронными звездами, которые излучают строго периодические радиоимпульсы. Точность их импульсов сравнима с точностью атомных часов, что делает их идеальными «космическими хронометрами».
Ученые годами с высокой точностью измеряют время прихода этих радиосигналов на Землю.
Обратите внимание: Ученые впервые обнаружили всеядных акул.
Когда гравитационная волна проходит через пространство между Землей и пульсаром, она слегка деформирует пространство-время, что приводит к едва заметным задержкам или опережениям в прибытии сигналов.Сравнивая временные данные от десятков пульсаров, разбросанных по небу, и находя корреляции в этих микроскопических сдвигах, ученые могут выделить характерную «подпись» гравитационной волны, проходящей через всю эту сеть. Этот метод требует исключения всех возможных помех и является мощным инструментом для поиска низкочастотных гравитационных волн, например, от вращающихся сверхмассивных черных дыр.
Временная матрица пульсара, используемая для анализа данных. Сложные алгоритмы анализируют время прихода импульсов, ища когерентные сигналы, которые указывают на присутствие гравитационных волн. Это включает в себя коррекцию на атмосферные эффекты и инструментальный шум, чтобы точно определить отклонения, вызванные именно гравитационными волнами.
Какими могут быть источники фонового гула?
Хотя NANOGrav представила убедительные доказательства существования стохастического фона, его точное происхождение остается неизвестным. Источники можно разделить на две большие категории: астрофизические и космологические.
Астрофизические источники — это, например, совокупный сигнал от множества пар сверхмассивных черных дыр, медленно сближающихся в центрах галактик. Космологические источники могут быть связаны с процессами в самой ранней Вселенной, такими как фазовые переходы или колебания полей в эпоху инфляции, вскоре после Большого взрыва.
Проведенный анализ пока не позволяет однозначно указать на источник. Для этого необходимы дальнейшие наблюдения, которые позволят лучше охарактеризовать «спектр мощности» сигнала и обнаружить возможную анизотропию — неравномерность распределения сигнала по небу, которая могла бы помочь отличить астрофизическое происхождение от космологического. Также требуются более точные теоретические модели, учитывающие различные сценарии, включая влияние темной материи.
Спектр гравитационных волн, показывающий различные типы событий в зависимости от частоты и амплитуды излучения. Для их обнаружения нужны разные инструменты: наземные детекторы (LIGO, Virgo) ловят высокочастотные волны, а массивы времени пульсаров (NANOGrav) чувствительны к низкочастотным волнам. Значение открытия: новый способ слышать Вселенную
Обнаружение стохастического фона гравитационных волн — это прорывное событие с далеко идущими последствиями. Во-первых, оно служит еще одним блестящим подтверждением общей теории относительности Эйнштейна.
Во-вторых, этот фоновый гул содержит бесценную информацию о самых ранних этапах жизни Вселенной. Его изучение может пролить свет на условия, царившие в момент ее рождения, на ее изначальные размеры, плотность и природу фундаментальных взаимодействий.
Кроме того, идентификация источников этого фона позволит лучше понять астрофизические процессы, такие как формирование и слияние галактик, эволюция сверхмассивных черных дыр и другие высокоэнергетические явления.
Но самое главное — это открытие новой, гравитационно-волновой астрономии. Мы получили принципиально новый способ исследования космоса, выходящий за рамки традиционных наблюдений в электромагнитном спектре (свет, радиоволны). Этот «слух» Вселенной может привести нас к новой физике, помочь в исследовании таких загадок, как квантовая гравитация и природа темной материи, открывая окно в ранее недоступные области познания.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: В 1916 году немецкий ученый Альберт Эйнштейн впервые предположил существование гравитационных волн, позже названных гравитационными волнами.