В 1916 году немецкий ученый Альберт Эйнштейн впервые предположил существование гравитационных волн, позже названных гравитационными волнами. Согласно его общей теории относительности, они должны были возникнуть во время высокоэнергетических космических событий вследствие изменения кривизны пространства-времени, которое, в свою очередь, связано с наличием массы.
спустя 100 лет, 11 февраля 2016 года, коллаборация LIGO-Virgo сообщила о первом прямом обнаружении и наблюдении гравитационных волн, которое произошло в сентябре 2015 года. Столкновение двух черных дыр вызвало пульсацию материи в пространстве-времени. Эти пульсации дошли до нас и были зафиксированы двумя приборами.
Сегодня, 29 июня 2023 года, коллаборация NANOGrav (Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн) объявила о первом прямом обнаружении стохастического фона гравитационных волн (GWB). Открытие было сделано на основе наблюдений 68 пульсаров, собранных за период в 15 лет. Точное происхождение этого фонового сигнала еще не установлено и требует дальнейших наблюдений.
Что такое стохастический гравитационно-волновой фон?
Фон стохастических гравитационных волн представляет собой набор сигналов от различных космических источников, распределенных по всей Вселенной. В отличие от гравитационных волн, которые генерируются одиночными четко определенными событиями, такими как слияние черных дыр или взрывы сверхновых, стохастический фон состоит из «шума» от множества различных источников.
Этот стохастический фон, являющийся реальным фоновым гулом Вселенной, проявляет себя как непрерывный сигнал. На самом деле составляющие его гравитационные волны перекрываются и объединяются, создавая смесь сигналов, где потенциальными источниками являются, например, сумма волн, порожденных многими слияниями сверхмассивных черных дыр во Вселенной, или гравитационные волны, порожденные в первобытную эпоху вскоре после Большого Взрыва.
До сих пор обнаружить их было невозможно. Низкочастотные гравитационные волны создают настолько малые возмущения, что их невозможно обнаружить с помощью таких инструментов, как LIGO и Virgo. А даже если бы они были обнаружены, существует множество внешних факторов, вносящих фоновые шумы в измерения, и их устранение является сложной задачей, требующей сложнейших технологий и методов анализа данных. Кроме того, необходимо иметь большой объем данных, собранных за длительный период времени.
Как это было выявлено?
Доказательства стохастического фона, объявленного НАНОГрав, были обнаружены с помощью метода Pulsar Timing Array (PTA). Это метод, используемый для обнаружения низкочастотных гравитационных волн, основанный на наблюдениях за пульсарами, сильно намагниченными нейтронными звездами, которые излучают регулярные импульсы радиоволн.
Эти импульсы, настолько точные, что их сравнивают с «космическими часами», могут быть обнаружены телескопами на Земле как радиосигналы.
Обратите внимание: Ученые впервые обнаружили всеядных акул .
Ученые точно измеряют время прихода сигналов и сравнивают его со стабильными эталонными часами.Если гравитационная волна проходит через пространство между Землей и пульсаром, распространение может повлиять на время прихода сигналов пульсара на Землю. Гравитационная волна фактически вызывает небольшую деформацию пространства-времени, приводящую к задержке или опережению времени прихода рассматриваемых сигналов.
Сравнивая времена прихода сигналов от разных пульсаров и изучая корреляции между ними, можно определить сигнатуру гравитационной волны, проходящей через сеть пульсаров. Необходимы сложные методы для анализа данных о времени прихода пульсаров и поиска когерентных сигналов, указывающих на присутствие гравитационных волн.
Это включает в себя поправку на нежелательные переменные, такие как атмосферные эффекты и инструментальный шум, для точного определения отклонений, вызванных гравитационными волнами.
Метод PTA особенно чувствителен к низкочастотным гравитационным волнам, в том числе генерируемым космическими событиями, такими как слияния сверхмассивных черных дыр. Используя наблюдения за сетью пульсаров, разбросанных по небу, исследователи ищут когерентные сигналы и корреляции во временных данных, чтобы выявить присутствие гравитационных волн.
Какими могут быть источники?
Хотя НАНОГрав дал первое убедительное свидетельство существования стохастического фона гравитационных волн в наногерцовом диапазоне частот, происхождение этого фона остается неизвестным. В общем случае источники могут быть как астрофизическими, т.е столкновениями очень массивных небесных тел, так и космологическими, т.е механизмами, эффектами и явлениями, восходящими к изначальной Вселенной и периоду космической инфляции.
Опубликованное исследование рассматривает различные космологические источники и сравнивает их с астрофизическим сигналом, создаваемым популяцией сверхмассивных двойных черных дыр, в попытке подтвердить или опровергнуть возможность того, что они являются источником. Однако полученных результатов недостаточно для точной индикации, а анализ не учитывает всего диапазона неопределенностей космологических и астрофизических сигналов.
Поэтому важны будущие анализы, направленные на более подробную характеристику так называемого «спектра мощности» сигнала и сосредоточенные на наблюдении анизотропии, вариаций сигнала, которые могут помочь отличить астрофизическое происхождение от космологического. Для лучшего понимания интерпретации сигнала также необходимо определить модели, точно воспроизводящие наблюдаемые параметры и учитывающие возможные вариации, возникающие при учете темной материи.
Что означает это открытие?
Успешное обнаружение стохастического фона гравитационных волн впервые имеет важные последствия в нескольких областях. Во-первых, это еще одно подтверждение общей теории относительности Эйнштейна. Кроме того, стохастический фон содержит ценную информацию о ранней Вселенной.
Обнаружение этого сигнала позволяет изучать начальные условия Вселенной, в том числе ее размер, плотность и характер фундаментальных взаимодействий на ранних этапах космической эволюции. Фазы, в которых (местоположение и объект) были созданы эти волны.
возможность проследить источники этих волн, очевидно, позволит нам получить информацию о различных астрофизических источниках, которые вносят свой вклад в этот фоновый шум. Это может помочь нам лучше понять формирование и эволюцию галактик, слияние черных дыр и нейтронных звезд, а также высокоэнергетические астрофизические процессы, которые генерируют гравитационные волны.
Но мы также говорим о новой физике, о новом способе исследования всей вселенной, выходящем за рамки классического способа сбора света. И, возможно, мы также нашли новый источник информации о физических теориях, выходящих за рамки общей теории относительности, таких как квантовая гравитация и темная материя.
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.