Учёные впервые «услышали» хор низкочастотных гравитационных волн, пронизывающих Вселенную
Астрономы, работающие в составе нескольких международных коллабораций, вплотную приблизились к регистрации так называемого «гравитационно-волнового фона» Вселенной. Речь идет не просто об очередном подтверждении теории Эйнштейна, а о возможном открытии нового канала для изучения космоса, который позволит заглянуть в эпоху, когда только начинали формироваться первые галактики. В отличие от высокочастотных всплесков, фиксируемых наземными детекторами, новая «рябь» пространства-времени имеет наногерцовую частоту и исходит от самых массивных объектов во Вселенной.
Как «услышать» то, что длится десятилетиями
Если гравитационные волны, открытые обсерваторией LIGO в 2015 году, можно сравнить с короткими и резкими звуками — «щебетанием» сталкивающихся черных дыр звездной массы, то новый сигнал больше напоминает низкий, непрерывный гул. Его период составляет от нескольких лет до десятков лет. Источником такого излучения, согласно основной гипотезе, являются пары сверхмассивных черных дыр, которые вращаются друг вокруг друга в центрах сливающихся галактик.
Прямая регистрация таких волн невозможна: длина волны измеряется световыми годами, а для её «поимки» потребовался бы детектор размером с Солнечную систему. Поэтому ученые прибегли к методу, который уже 15 лет развивает коллаборация NANOGrav, а также их коллеги из Европы, Индии, Китая и Австралии.
Пульсары как космические хронометры
Ключом к наблюдениям стали радиопульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые испускают строго периодические импульсы излучения. Эти объекты служат своего рода идеальными часами, разбросанными по всей Галактике. Когда гравитационная волна проходит между Землей и пульсаром, она слегка искажает пространство-время, изменяя расстояние до «маяка». Это приводит к микроскопическому, но измеримому сбою в ритме импульсов.
Зафиксировать такой сбой от одного пульсара невозможно. Однако, наблюдая за десятками и сотнями таких звезд в течение многих лет, астрономы могут выявить коррелированные отклонения. Именно это и было сделано: ученые проанализировали данные по 115 пульсарам, сбор информации по которым велся до 18 лет. Обнаруженный паттерн с высокой статистической значимостью указывает на присутствие общего гравитационно-волнового фона.
«Громче», чем ожидалось: что это значит для науки
Одним из самых интригующих результатов стало то, что интенсивность зафиксированного фонового шума оказалась выше прогнозов теоретических моделей. Это открывает сразу несколько возможностей для интерпретации. Либо слияния сверхмассивных черных дыр в центрах галактик происходят гораздо чаще, чем предполагалось, либо наше понимание динамики этих процессов требует серьезной корректировки.
Существуют и альтернативные гипотезы происхождения сигнала. Помимо двойных черных дыр, «виновниками» могут быть космические струны — гипотетические одномерные дефекты пространства-времени, оставшиеся после ранних этапов эволюции Вселенной, или же процессы, связанные с фазовыми переходами вскоре после Большого взрыва.
Текущий метод, однако, имеет ограничение: он позволяет услышать общий «гул», но не определить точное местоположение отдельных источников. Это похоже на то, как человек слышит шум голосов в переполненном зале, но не может разобрать ни одного конкретного разговора. Несмотря на это, ученые уже объединяют данные всех коллабораций для получения окончательного подтверждения, которое ожидается в ближайшие год-два.
Первые успешные попытки зарегистрировать гравитационные волны были предприняты еще в 2015 году, но они касались лишь высокочастотного диапазона. Нынешние результаты — итог почти двух десятилетий кропотливых наблюдений за пульсарами, которые позволили вплотную подойти к открытию принципиально нового явления. Если гипотеза подтвердится, человечество получит инструмент для «просвечивания» самых ранних этапов формирования структуры Вселенной, когда галактики только начинали сливаться в огромные скопления. Это позволит заняться настоящей «космической археологией», изучая историю слияний черных дыр, которая напрямую связана с эволюцией галактик. Открытие обещает не только уточнить наши модели, но и, возможно, поставить новые вопросы о фундаментальных свойствах пространства и времени.
