Гравитационные волны создают фоновый гул по всей вселенной

По словам астрономов, обнаруживших фоновое гудение гравитационных волн, ткань Вселенной постоянно колеблется. Эти волны могут быть вызваны слиянием сверхмассивных черных дыр по всей Вселенной, но они также могут иметь более экзотическое происхождение, например оставшуюся рябь в пространстве-времени, возникшую вскоре после Большого взрыва. Выяснение их истинной природы может рассказать нам о том, как сверхмассивные черные дыры растут и влияют на принимающие их галактики, или даже о том, как развивалась Вселенная в первые моменты своего существования.

Чтобы найти этот таинственный гул, астрономы отслеживали быстро вращающиеся нейтронные звезды, называемые пульсарами, которые испускают свет с чрезвычайной регулярностью. Глядя на различные пульсары в Млечном Пути, астрономы могут эффективно использовать их в качестве детектора гравитационных волн размером с галактику, называемого временным массивом пульсаров.

В то время как отдельные гравитационные волны, представляющие собой рябь в пространстве-времени, создаваемые столкновением массивных объектов, регулярно наблюдается с момента первого обнаружения в 2015 г., объект этого поиска другой. Все эти предыдущие гравитационные волны имеют локализованное происхождение и поднимаются и опускаются сотни раз в секунду, но недавно обнаруженный сигнал больше похож на фон гравитационных волн, который пронизывал бы всю вселенную на гораздо более низких частотах, схожих по своей концепции с гравитационными волнами. космический микроволновый фонто есть излучение, оставшееся после Большого взрыва и наблюдаемое сегодня по всей Вселенной.

В 2021 году были первые намеки что Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (НАНОГрав), основанная в США совместная работа, начавшая в 2007 году и использующая временную решетку пульсара, обнаружила этот фон гравитационных волн с помощью радиотелескопов.

Измеряя световые сигналы от пульсаров, когда они достигают Земли, и проверяя крошечные колебания времени, которые могли быть вызваны рябью в пространстве-времени, астрономы думали, что обнаружили признаки общего процесса, влияющего на синхронизацию всех пульсаров одинаковым образом. . Однако в то время им не хватало контрольной подписи, предсказанной Общая теория относительности Альберта Эйнштейна это подтвердило бы этот гул космического масштаба.

Теперь, после 15 лет наблюдений, команда НАНОГрав впервые увидела эту сигнатуру в сигнале в диапазоне различных частот гравитационных волн. «Это превратилось из дразнящего намека в нечто очень убедительное доказательство гравитационно-волнового фона», — говорит член команды. Джеймс Макки в Университете Халла, Великобритания.

Это не преодолело статистический порог, который ученые должны назвать определенным обнаружением фона гравитационных волн, но астрономы спокойно называют это очень убедительным доказательством на уровне статистической значимости 3 сигма, что означает вероятность такого сигнала. возникающие при отсутствии фона гравитационных волн, составляют около 1 на 1000.

Сегодня также опубликовали свои результаты три других коллаборации с синхронизирующими массивами пульсаров (PTA), состоящими из Европы и Индии (EPTA), Китая (CPTA) и Австралии (PPTA). CPTA утверждает, что обнаружил фон гравитационных волн с еще более высоким уровнем достоверности, чем НАНОГрав, но только для одной частоты, в то время как и EPTA, и PPTA видят намеки на него на несколько более слабом статистическом уровне.

«Они также начинают видеть этот очень характерный корреляционный сигнал в своих данных», — говорит член команды НАНОграв. Меган ДеСезар в Университете Джорджа Мейсона в Вирджинии. «Мы вроде как все это видим, что очень волнующе, потому что это говорит о том, что это, вероятно, реально».

Огромный масштаб

Но подтвердить эти сигналы и получить больше уверенности в них непросто, говорит Арис Карастергиу в Оксфордском университете. «Это огромный масштаб, с невероятно сложными данными для работы».

Гравитационно-волновой фон мизерный — сила сигнала, который необходимо извлечь астрономам, по сравнению с шумом, который также улавливается при этом, равняется одной квадриллионной части, а сами гравитационные волны тянутся примерно на световой год — больше. более 9 триллионов километров – на одной длине волны. Вот почему пульсары, которые расположены на подходящем расстоянии друг от друга и являются одними из самых чувствительных часов во Вселенной, являются ключом к этому поиску. Если постоянный фон гравитационных волн искажает все пространство-время, то он должен одинаково влиять на световые импульсы всех пульсаров, но измерить это непросто из-за множества других факторов, которые могут повлиять на время возникновения. сигналы от каждого пульсара в массиве.

«Мы должны иметь возможность учитывать их всех, а это занимает много времени», — говорит Макки. «Требуется много лет наблюдений, требуется много времени для понимания шумовых свойств спиновых аномалий, межзвездной среды и тому подобного».

Только теперь команды, работающие с массивами хронометров пульсаров, чувствуют себя достаточно уверенно в своих данных, чтобы иметь возможность определить характерную закономерность в сигнале, предсказанном общей теорией относительности. Поскольку астрономы отслеживают пары пульсаров в небе, временные различия в свете от них должны становиться менее похожими по мере увеличения угла между ними. Это связано с тем, что свет от пульсаров, которые кажутся близкими в небе, будет проходить по тому же пути к Земле, что означает, что он проходит аналогичный путь через фон гравитационных волн, в то время как свет от тех, которые кажутся дальше друг от друга, пойдет по другому пути.

Благодаря причуде общей теории относительности, это соотношение фактически меняется на противоположное для пульсаров, которые очень удалены друг от друга, и разница во времени становится более похожей, когда вы сравниваете пульсары на противоположных сторонах неба. Этот полный паттерн можно описать с помощью графика, называемого кривой Хеллингса-Дауна, и именно этого паттерна НАНОГрав отсутствовал в 2021 году.

«Они не могли конкретно охарактеризовать это и сказать, да, это гравитационные волны», — говорит Чарльз Контальди в Имперском колледже Лондона. «Но теперь, когда они измерили эту кривую Хеллингса-Дауна, это действительно просто дымящийся пистолет».

Конкурирующие объяснения

Итак, если предположить, что сигнал остается, поскольку астрономы собирают больше данных, что вызывает фон гравитационных волн?

Основное объяснение включает в себя пары сливающихся сверхмассивных черных дыр (СМЧД), гигантских черных дыр в центрах многих галактик с массами, в миллионы раз превышающими массу Солнца. Как только эти объекты зафиксируются на орбите друг вокруг друга, как так называемые двойные объекты, их экстремальные массы должны искривлять пространство-время в том же частотном диапазоне, который, по-видимому, измеряют временные массивы пульсаров для фона гравитационных волн. Поскольку эти события происходят по всей Вселенной, как во времени, так и в пространстве, волны, которые они производят, должны соединяться вместе, создавая характерный гул, который пронизывает космос.

«Неизбежно, что те [pairs of] сверхмассивные черные дыры в конечном итоге соберутся вместе, чтобы сформировать двойные системы», — говорит член команды. Лора Блеч в Университете Флориды. «Это просто вопрос временной шкалы, в которой они действительно сойдутся достаточно близко, чтобы произвести эти гравитационные волны, которые могли бы наблюдать NANOGrav и другие массивы синхронизации пульсаров».

Хотя это объяснение имеет наибольший смысл, когда Блеча и ее коллеги смоделировали фон гравитационных волн, вызванный слиянием сверхмассивных черных дыр по всей Вселенной, они обнаружили сигнал, немного отличающийся от сигнала НАНОграв, предполагая, что эти космические бегемоты либо более массивны, либо более массивны. распространены во Вселенной, чем считалось ранее. Если это правда, это может изменить наше понимание как формирования галактик, так и того, как Вселенная устроена в больших масштабах.

Одним из способов подкрепить объяснение сверхмассивной черной дыры было бы наблюдать усиление фонового сигнала гравитационных волн в определенной части неба, что может быть вызвано ближайшим слиянием. Австралийское PPTA видит намеки на это в своем анализе, но еще слишком рано говорить об этом.

В сигнале НАНОграв достаточно неопределенности, поэтому дверь открыта для альтернативных объяснений, говорит Нельсон Кристенсен в Карлтон-колледже в Миннесоте. «В ближайшие дни мы получим сотни статей от теоретиков, в которых они представят другие модели».

Одна возможность состоит в том, что фоновые волны возникают из-за дефектов в очень ранней Вселенной, когда она меняла фазы. Идея состоит в том, что это оставило отпечаток в пространстве-времени, подобно трещинам, которые образуются, когда вода замерзает в лед. Другая заключается в том, что фон на самом деле состоит из давно предполагаемых первичных гравитационных волн, созданных Вселенной, быстро расширяющейся вскоре после Большого взрыва в период, известный как космическая инфляция.

Ничто не исключает

Однако в настоящее время данные недостаточно точны, чтобы исключить тот или иной сценарий. Питер Феррейра в Оксфордском университете. «Проблема с этой темой в том, что да, это может быть любое количество типов новой физики, но вы не можете их различить».

Чтобы решить эту проблему, нам нужно больше данных. Недавно построенные телескопы, такие как FAST в Китае и MeerKAT в Южной Африке, а также Square Kilometre Array, крупнейший в мире телескоп, строящийся в Австралии и Южной Африке, позволят нам измерять пульсары чаще и с гораздо большей точностью. Обнаружение новых и более регулярных пульсаров также поможет, говорит Макки.

Объединение наборов данных всех различных PTA в глобальном сотрудничестве также позволит провести более подробный анализ. Есть пульсары, которые видны только в австралийские телескопы, и наоборот, в европейские. Анализ, объединяющий все результаты, уже проводится, говорит ДеСезар, и должен быть опубликован в ближайшие годы.

«Это золотая эра гравитационных волн», — говорит Кристенсен. «Примерно за восемь лет мы не только обнаружили гравитационные волны на земле, но теперь мы обнаружили их совершенно другим методом на совершенно другой частоте — это просто супер захватывающе».

Темы:

• космология/
• гравитационные волны