Ученые представили поразительные результаты 15-летнего исследования гравитационных волн

15-летний поиск обнаружил первые доказательства космического "гравитационного волнового фона", и он громче, чем ожидалось. Сразу пять независимых групп радиоастрономов – североамериканская, европейская, индийская, китайская и австралийская команды – опубликовали серию работ, представивших доказательства того, что Вселенная наполнена гравитационными волнами, созданными столкновениями сверхмассивных черных дыр. Гравитационные волны – это пульсации в ткани пространства-времени, путешествующие по Вселенной со скоростью света. Хотя Альберт Эйнштейн предсказал их существование еще в 1916 году, прошло почти столетие, прежде чем пространственно-временные колебания были обнаружены на Земле благодаря лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в 2015 году. Выяснилось, что они буквально повсюду во Вселенной, пронзая её.

Смотрите также В Млечном Пути нашли многочисленные источники нейтрино и составили новую карту галактики

Детали открытия

Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) разъясняет, что в собственных исследованиях ученые следили за пульсарами.

Пульсары – это остатки взрывов сверхновых. Умирая, звезда теряет свою оболочку и оставляет только плотное намагниченное ядро, которое быстро вращается и непрерывно выбрасывает пучки электромагнитного излучения. Эти лучи могут пронизывать пространство несколько сот раз в секунду. Когда некоторые из них устремлены на Землю, они выглядят как строго регулярные радиоимпульсы. Таким образом, они действуют как своеобразные космические маяки или метрономы: их лучи радиоизлучения проносятся над Землей через точные промежутки времени, позволяя брать их за эталон.

Недавно обнаруженные гравитационные волны – рябь ткани пространства-времени – на сегодня являются самыми мощными из когда-либо измеренных: они несут примерно в миллион раз больше энергии, чем обнаруженные ранее единичные всплески от слияний черных дыр и нейтронных звезд, сообщают ученые NANOGrav. "Это похоже на хор всех этих пар сверхмассивных черных дыр, поющих на разных частотах", – говорит ученая из Кьяра Мингарелли. В настоящее время NANOGrav может измерять только общий фон гравитационных волн, а не излучение отдельных "дуэтов". Но даже это преподнесло сюрпризы.

Фон гравитационных волн примерно вдвое громче, чем мы ожидали. Это верхний предел того, что наши компьютерные модели подразумевают сверхмассивные черные дыры.
– говорит Мингарелли.

Эта громкость может быть результатом ошибок в эксперименте или, что гораздо более интересно, следствием того, что сверхмассивных черных дыр на самом деле гораздо больше, чем считалось. Но существует также вероятность того, что мощные гравитационные волны генерируются чем-то другим, например механизмами, предусмотренными теорией струн, или альтернативными объяснениями рождения Вселенной. Это также приводит нас к тому, что в перспективе открытия поможет доказать теорию струн.

Эти гравитационные волны отличаются от всех, измеренных ранее. В отличие от высокочастотных всплесков волн, обнаруженных наземными приборами LIGO и Virgo, основной фон гравитационных волн ультранизкочастотный. На один подъем и убыль одной из волн могут пойти годы или даже десятилетия. Поскольку гравитационные волны распространяются со скоростью света, длина одной волны таким образом может составлять десятки световых лет.

Земные приборы не могли обнаружить такие колоссальные волны, поэтому команда NANOGrav вместо этого смотрела на звезды. Ученые внимательно наблюдали за пульсарами, сверхплотными остатками массивных звезд. Как уже отмечалось, они испускают свои радиоволны через равные промежутки времени. Когда между Землей и пульсаром проходит гравитационная волна, она сбивает синхронизацию радиоволн. Это происходит потому, что, как предсказал Альберт Эйнштейн, гравитационные волны растягивают и сжимают пространство. Итак, 15 лет ученые сначала определяли точное время импульсов от 67 миллисекундных пульсаров нашей галактики.

Пульсары на самом деле очень слабые источники радиоизлучения, поэтому для проведения этого эксперимента нам нужны тысячи часов в год на крупнейших в мире телескопах,
– говорит Маура Маклафлин из Университета Западной Виргинии, содиректор Центра физических границ NANOGrav.

Гравитационные волны заставляют пространство растягиваться и сжиматься. Тщательно измеряя, как объекты в пространстве изменяют свое положение относительно друг друга, ученые могут заключить о прохождении гравитационной волны. LIGO отслеживал, как длина тоннелей длиной 4 километра изменялась на величину меньше одной тысячной размера протона. Благодаря этому инженерному подвигу исследователи в 2015 году обнаружили гравитационные волны, создаваемые черными дырами, которые в десятки раз массивнее Солнца. Но чтобы обнаружить низкочастотный грохот гравитационных волн, производимых сверхмассивными черными дырами, в миллиарды раз массивнее Солнца, нужен детектор, гораздо больше размера Земли.

В итоге удалось выделить помехи, дополнительный "гул", общий для всех пульсаров в массиве данных. Обнаружение этого фонового жужжания имеет огромное значение, поскольку может перевернуть понимание первых дней Вселенной.

К примеру, электромагнитное излучение не дает картины Вселенной раньше времени последнего рассеяния (около 400 000 лет после Большого взрыва). Гравитационные волны, однако, могут дать нам информацию вплоть до начала инфляции, всего через ∼10^-32 секунды после Большого взрыва,
– рассказала Сьюзан Скотт из Австралийского национального университета и Центра передового опыта ARC по открытию гравитационных волн.

Наиболее вероятными источниками гравитационно-волнового фона являются пары сверхмассивных черных дыр, которые быстро вращаются друг вокруг друга. Эти черные дыры поистине колоссальны, они содержат массу в миллиарды солнц. Почти все галактики, включая Млечный Путь, содержат в центре хотя бы одного из таких гигантов. Когда две галактики сливаются, их сверхмассивные черные дыры могут встретиться и начать вращаться вокруг друг друга. Со временем их орбиты сужаются, пока дыры в конце концов не столкнутся. К счастью, черные дыры сталкиваются спустя несколько миллионов лет после того, как начинают излучать достаточно сильные гравитационные волны, чтобы их можно было заметить с помощью пульсаров.

Поскольку пары сверхмассивных черных дыр образуются в результате слияния галактик, большое количество их гравитационных волн поможет космологам оценить, как часто галактики сталкивались на протяжении всей истории Вселенной. Пока выводы таковы, что во Вселенной насчитываются сотни тысяч, а возможно даже миллион пар из сверхмассивных черных дыр.

Так что пока исследователи не утверждают, что обнаружили сами гравитационные волны, но они получили очень многообещающий отпечаток их присутствия.