Зарегистрированы самые мощные гравитационные волны в истории наблюдений
Гравитационные волны возвращаются, и они огромны.
После исторического первого обнаружения «ряби» пространства-времени в 2015 году с помощью наземных детекторов, исследователи теперь заново открывают волны Альберта Эйнштейна с помощью совершенно другой техники. Новый подход позволяет отслеживать изменения расстояний между Землей и пульсарами в нашей галактике, и увидеть как пространство растягивается и сжимается в результате прохождения гравитационных волн.
Если в открытии 2015 года были зарегистрированы волны, возникающие в результате столкновения и слияния двух черных дыр звездного размера, то наиболее вероятным источником нового открытия является суммарный сигнал от многих пар гораздо более крупных черных дыр — в миллионы или даже миллиарды раз превышающих массу Солнца. Эти двойные черные дыры медленно вращаются друг вокруг друга в центрах далеких галактик. Создаваемые ими гравитационные волны в тысячи раз длиннее тех, что были обнаружены в 2015 году, — их длина волны достигает десятков световых лет. В отличие от них, гравитационные волны, обнаруженные в 2015 году с помощью метода, называемого интерферометрией, имеют длину - десятки или сотни километров.
«Мы можем сказать, что Земля покачивается из-за гравитационных волнах, которые распространяются по нашей Галактике», — говорит журналу Nature Скотт Рэнсом, астрофизик из Национальной радиоастрономической обсерватории США в Шарлоттсвилле, и старший член NANOGrav, одной из четырех коллабораций, объявивших 29 июня о своих результатах. (Три работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters: 1, 2, 3, одна еще опубликована как препринт). Пока ни одна из коллабораций на заявляла об «открытии» новых гравитационных волн. Астрономы высказываются осторожнее.
Рэнсом говорит: «Мы считаем, что нашли убедительные подтверждения гравитационных волн, но еще нет статистической уверенности в достоверном открытии». Теперь исследователи объединят свои данные, чтобы посмотреть, смогут ли они вместе подтвердить результаты.
Поймать волну
Три коллаборации собирали данные о пульсарах десятилетиями и сообщают о схожих результатах: североамериканская группа NANOGrav, Европейская система синхронизации пульсаров при участии астрономов из Индии и система синхронизации пульсаров Parkes в Австралии. Четвертая коллаборация, Китайский массив синхронизации пульсаров, утверждает, что обнаружила сигнал всего за три года, благодаря исключительной чувствительности телескопа FAST, который начал работу в 2016 году в регионе Гуйчжоу.
Кейя Ли, радиоастроном из Пекинского университета в Пекине, возглавлявший исследование FAST, говорит, что результат его не удивил: «Мой расчет гравитационно-волновой чувствительности наблюдения FAST был сделан еще в 2009 году, когда я был аспирантом».
Все группы используют мощные радиотелескопы для наблюдения за «миллисекундными» пульсарами. Это невероятно плотные нейтронные звезды, которые являются источниками мощного радиоизлучения. Каждый раз, когда пульсар совершает оборот вокруг своей оси, его радиолуч проходит в зоне прямой видимости Земли и снова выходит из этой зоны. С Земли это наблюдается как импульсы с регулярными интервалами. Миллисекундные пульсары вращаются очень быстро - до нескольких сотен раз в секунду.
«Мы можем использовать их в качестве часов», — говорит Эндрю Зик, радиоастроном из Австралийского национального телескопа в Сиднее. Небольшие изменения во времени прихода сигналов от пульсара могут означать, что пространство между звездой и Землей изменилось в результате прохождения гравитационной волны.
Изменение интервалов времени между приходами сигналов только от единичного пульсара недостаточно надежно для обнаружения гравитационных волн. Но каждая коллаборация отслеживает несколько десятков пульсаров. В результате они обнаружили сигнатуру под названием кривая Хеллингса-Даунса, которая предсказывает, как в присутствии гравитационных волн, приходящих со всех возможных направлений, меняет время прихода сигналов от пульсаров в зависимости от их расстояния на небе. Кривая была теоретически предсказана еще до экспериментального открытия гравитационных волн. И в экспериментальных данных ее никто никогда не видел.
NANOGrav первым обнаружил сигнал, похожий на предсказанную кривую и сообщил о нем коллегам в 2020 году. Но команда решила подождать, пока другие коллаборации увидят аналогичную картину, прежде чем публиковать результаты.
«Увидеть, как кривая Хеллингса-Даунса впервые проявляется в реальности, — это был прекрасный момент», — говорит Кьяра Мингарелли, астрофизик гравитационных волн из Йельского университета в Нью-Хейвене и член NANOGrav. "
Долгая игра
Эйнштейн впервые предсказал гравитационные волны в 1916 году. 14 сентября 2015 года детекторы-близнецы Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в штатах Луизиана и Вашингтон подтвердили его предсказание, зафиксировав всплеск волн от слияния двух черных дыр. С тех пор физики зафиксировали гравитационные волны от десятков подобных событий.
Если гравитационный сигнал, обнаруженный коллаборацией NANOGrav и коллегами-астрономами, действительно является результатом гравитационных волн тысяч пар сверхмассивных черных дыр во Вселенной, это будет первым прямым доказательством того, что такие гигантские двойные черные дыры существуют, и что некоторые из них имеют достаточно тесные орбиты, чтобы производить измеримые гравитационные волны.
Моника Колпи, изучающая теорию гравитационных волн и черных дыр в университете Милан-Бикокка в Италии говорит, что главным следствием этого открытия является то, что каждая из этих пар в конечном итоге сольется, создавая всплески, похожие на те, которые наблюдал LIGO, но масштаб всплесков будет гораздо больше. Такие всплески могут быть обнаружены с помощью лазерной интерферометрической космической антенны (LISA) — миссии Европейского космического агентства, которую планируется запустить в 2030-х годах.
Исследователи надеются, что в конечном итоге они выйдут за пределы, описанные кривой Хеллингса-Даунса (она дает только самую общую картину), и увидят сигналы отдельных двойных сверхмассивных черных дыр, расположенных достаточно близко к нашей Галактике, и поэтому достаточно громких, с точки зрения гравитационных волн, чтобы выделиться из фонового сигнала.
Но пока нельзя исключать и другие источники этих волн, включая возможный остаточный гравитационный шум после Большого взрыва.
«Это долгая игра. Она требует большого терпенья», — говорит Эндрю Зик. — «Но теперь мы действительно начинаем открывать окно в этот ультранизкочастотный спектр гравитационных волн».