Почему Вселенная «дрожит»? Астрофизик разработал новый метод поиска гравитационных волн с помощью квазаров

Представьте себе океан. Не земной, а космический — безбрежное пространство-время. И в этом океане постоянно расходятся волны, невидимые, но невероятно мощные. Это гравитационные волны, рябь самой ткани Вселенной, порожденная колоссальными событиями вроде слияния сверхмассивных черных дыр. Эти волны несут информацию о самых фундаментальных законах природы и самых грандиозных космических катаклизмах. И вот, ученые ищут новые, более тонкие способы услышать этот космический «шум».

Астрофизик Джереми Дарлинг из Университета Колорадо в Боулдере взялся за амбициозную задачу — он разрабатывает принципиально новый метод для измерения так называемого фона гравитационных волн. Это не отдельные всплески от конкретных слияний, которые ловят детекторы вроде LIGO и Virgo, а постоянный гул, эхо бесчисленных событий, происходивших на протяжении всей истории Вселенной. Поймать этот фон — все равно что различить тихий шепот на фоне ревущего стадиона. Но почему это так важно?

Что такое гравитационные волны и почему их так сложно поймать?

Давайте начистоту: гравитационные волны — это не свет, не радиосигналы. Это искажения самого пространства-времени. Когда два гигантских объекта, вроде черных дыр или нейтронных звезд, вращаются друг вокруг друга и сливаются, они буквально «взбалтывают» пространство, посылая во все стороны волны, которые растягивают и сжимают все на своем пути. Включая нашу Землю.

Проблема в том, что эти искажения невероятно малы. Даже мощные волны от слияния черных дыр, зарегистрированные LIGO/Virgo, изменяют расстояние между зеркалами детекторов на величину, в тысячи раз меньшую диаметра протона! А фоновые гравитационные волны, которые ищет Дарлинг, еще слабее и, к тому же, имеют очень большую длину волны — они «прокатываются» мимо нас годами и десятилетиями. Представляете, какая точность нужна для их обнаружения?

Недавно коллаборация NANOGrav (Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн) уже добилась впечатляющего успеха. Они использовали пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые испускают радиоимпульсы с поразительной регулярностью, своего рода «космические часы». Наблюдая за мельчайшими изменениями во времени прихода этих импульсов, ученые смогли засечь, как фоновые гравитационные волны растягивают и сжимают пространство вдоль линии нашего взгляда на эти пульсары. Это похоже на то, как волны на море подходят к берегу — прямо на вас.

Пульсары против Квазаров: Два взгляда на одну рябь

Но Джереми Дарлинг задался другим вопросом. Гравитационные волны распространяются в трех измерениях. Они не только растягивают и сжимают пространство по направлению к нам и от нас, но должны вызывать и поперечные смещения. Представьте те же волны на море: они не только поднимают и опускают буек (аналог растяжения-сжатия), но и могут сдвигать его немного вправо-влево, параллельно берегу. Именно этот «боковой» эффект и хочет поймать Дарлинг.

И для этого он выбрал другие небесные объекты — квазары. Что это такое? Это невероятно яркие активные ядра далеких галактик, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры, активно поглощающие вещество. Квазары — одни из самых далеких и ярких объектов во Вселенной, что делает их идеальными «маяками».

В чем идея? Когда гравитационная волна проходит между нами и далеким квазаром, она слегка искривляет путь света от него. Это похоже на то, как горячий воздух над асфальтом заставляет изображение дрожать. С Земли нам будет казаться, что квазар немного сместился на небе — эдакое «дрожание» или «покачивание». Сами квазары, конечно, никуда не дергаются (по крайней мере, не так быстро и хаотично), все дело в гравитационной волне, искажающей их видимое положение.

Танцующие квазары и космическая линейка

Звучит интригующе, не правда ли? Но здесь мы сталкиваемся с главной трудностью — астрометрией, наукой об измерении положений и движений небесных тел. Измерить это «дрожание» квазаров — задача колоссальной сложности. Речь идет о смещениях, которые настолько малы, что их измерение требует точности, эквивалентной наблюдению с Земли за ростом ногтя на пальце человека, стоящего на Луне! Десятикратно точнее, чем упомянуто в исходной статье для наглядности эффекта.

Более того, сама Земля — не статичная обсерватория. Она вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, а Солнечная система несется вокруг центра Галактики со скоростью свыше 200 км/с. Все это движение создает видимые смещения далеких объектов на небе (параллакс, аберрация света), которые нужно как-то отделить от искомого эффекта гравитационных волн. Это все равно что пытаться измерить вибрацию от пролетающей мухи, стоя на палубе корабля в шторм.

Как же Дарлинг подходит к решению? Он использует данные космического телескопа Gaia Европейского космического агентства. Gaia с беспрецедентной точностью измеряет положения и движения миллиардов звезд и сотен тысяч квазаров. Дарлинг берет эти данные и анализирует относительное движение пар квазаров. Идея в том, что собственное движение Земли и другие систематические эффекты будут влиять на оба квазара в паре схожим образом, а вот гравитационные волны, приходящие с разных направлений, будут вызывать у них немного разное «дрожание». Сравнивая движения в парах и усредняя по огромному числу таких пар, можно попытаться выделить слабый сигнал гравитационных волн.

В ожидании данных: Что дальше?

На данный момент результаты Дарлинга еще не позволяют однозначно заявить об обнаружении этого «поперечного» эффекта гравитационных волн. Данных пока недостаточно, чтобы отделить искомый сигнал от шума и погрешностей измерений. Но это лишь начало большого пути.

Ключевым моментом станет следующий выпуск данных от миссии Gaia, ожидаемый в 2026 году. Он будет содержать результаты наблюдений за гораздо более длительный период — около 8.5 лет по сравнению с примерно 3 годами в использованном сейчас каталоге. Более длительный временной интервал позволит гораздо точнее измерить малые смещения и, возможно, наконец-то выявить ту самую рябь пространства-времени, отраженную в «танце» далеких квазаров.

Зачем все это нужно? Измерение фона гравитационных волн разными методами (через пульсары и квазары) даст нам объемную картину этого явления. Сравнивая результаты, можно будет проверить предсказания различных теорий гравитации, включая Общую теорию относительности Эйнштейна, на совершенно новом уровне. Понимание свойств этого фона поможет лучше узнать историю слияний сверхмассивных черных дыр, а значит — и историю эволюции самих галактик. По сути, это еще один шаг к пониманию самых фундаментальных механизмов, управляющих нашей Вселенной.

Так что, пока мы живем своей обычной жизнью, где-то там, в глубинах космоса, квазары продолжают свой едва заметный танец под музыку гравитационных волн. И астрофизики, вооружившись невероятно точными инструментами и остроумными методами, настойчиво пытаются уловить эту космическую мелодию. Кто знает, какие тайны она нам откроет?