15-річний пошук виявив перші докази космічного "гравітаційного хвильового фону", і він голосніший, ніж очікувалося. Відразу п'ять незалежних груп радіоастрономів – північноамериканська, європейська, індійська, китайська та австралійська команди – опублікували серію робіт, у яких представили докази того, що Всесвіт наповнений гравітаційними хвилями, створеними зіткненнями надмасивних чорних дір. Гравітаційні хвилі — це пульсації в тканині простору-часу, які подорожують Всесвітом зі швидкістю світла. Хоча Альберт Ейнштейн передбачив їх існування ще у 1916 році, пройшло майже століття, перш ніж просторово-часові коливання були виявлені на Землі завдяки лазерній інтерферометричній гравітаційно-хвильовій обсерваторії (LIGO) у 2015 році. З'ясувалося, що вони буквально всюди у Всесвіті, пронизуючи його.

Дивіться також У Чумацькому Шляху знайшли численні джерела нейтрино і склали нову карту галактики

Деталі відкриття

Північноамериканська наногерцова обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav) пояснює, що в своїх дослідженнях учені спостерігали за пульсарами.

Нещодавно виявлені гравітаційні хвилі – брижі тканини простору-часу – на сьогодні є найпотужнішими з коли-небудь виміряних: вони несуть приблизно в мільйон разів більше енергії, ніж виявлені раніше поодинокі сплески від злиттів чорних дір і нейтронних зірок, повідомляють вчені NANOGrav. "Це схоже на хор усіх цих пар надмасивних чорних дір, які співають на різних частотах", – каже вчена з К'яра Мінгареллі. Наразі NANOGrav може вимірювати тільки загальний фон гравітаційних хвиль, а не випромінювання окремих "дуетів". Але навіть це піднесло сюрпризи.

Фон гравітаційних хвиль приблизно вдвічі голосніший, ніж ми очікували. Це верхня межа того, що наші комп'ютерні моделі припускають для надмасивних чорних дір,
– каже Мінгареллі.

Ця гучність може бути результатом помилок в експерименті або, що набагато цікавіше, наслідком того, що надмасивних чорних дір насправді набагато більше, ніж вважалося. Але існує також імовірність того, що потужні гравітаційні хвилі генеруються чимось іншим, як-от механізмами, передбаченими теорією струн, або альтернативними поясненнями народження Всесвіту. Це також приводить нас до того, що в перспективі відкриття допоможе довести теорію струн.

Ці гравітаційні хвилі відрізняються від усіх, що були виміряні раніше. На відміну від високочастотних сплесків хвиль, виявлених наземними приладами LIGO і Virgo, основний фон гравітаційних хвиль ультранизькочастотний. На один підйом і спад однієї з хвиль можуть піти роки або навіть десятиліття. Оскільки гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю світла, довжина однієї хвилі таким чином може становити десятки світлових років.

Земні прилади не могли б виявити такі колосальні хвилі, тому команда NANOGrav замість цього дивилася на зірки. Вчені уважно спостерігали за пульсарами, надщільними залишками масивних зірок. Як уже зазначалося, вони випускають свої радіохвилі через рівні проміжки часу. Коли між Землею і пульсаром проходить гравітаційна хвиля, вона збиває синхронізацію радіохвиль. Це відбувається тому, що, як передбачив Альберт Ейнштейн, гравітаційні хвилі розтягують і стискають простір. Тож 15 років учені спочатку визначали точний час імпульсів від 67 мілісекундних пульсарів нашої галактики.

Пульсари насправді є дуже слабкими джерелами радіовипромінювання, тому для проведення цього експерименту нам потрібні тисячі годин на рік на найбільших у світі телескопах,
– каже Маура Маклафлін з Університету Західної Вірджинії, співдиректорка Центру фізичних кордонів NANOGrav.

Гравітаційні хвилі змушують простір розтягуватись і стискатися. Ретельно вимірюючи, як об'єкти в просторі змінюють своє положення відносно одне одного, вчені можуть зробити висновок про проходження гравітаційної хвилі. LIGO відстежував, як довжина тунелів завдовжки 4 кілометри змінювалася на величину, меншу за одну тисячну розміру протона. Завдяки цьому інженерному подвигу дослідники у 2015 році виявили гравітаційні хвилі, що створюються чорними дірами, які в десятки разів масивніші за Сонце. Але щоб виявити низькочастотний гуркіт гравітаційних хвиль, вироблених надмасивними чорними дірами, в мільярди разів масивнішими за Сонце, потрібен детектор, набагато більший за розмір Землі.

У підсумку вдалося виокремити перешкоди, додатковий "гул", спільний для всіх пульсарів у масиві даних. Виявлення цього фонового гудіння має величезне значення, оскільки може перевернути розуміння перших днів Всесвіту.

Наприклад, електромагнітне випромінювання не дає картини Всесвіту раніше часу останнього розсіювання (близько 400 000 років після Великого вибуху). Гравітаційні хвилі, однак, можуть дати нам інформацію аж до початку інфляції, всього через ∼10-32 секунди після Великого вибуху,
– розповіла Сьюзан Скотт з Австралійського національного університету і Центру передового досвіду ARC з відкриття гравітаційних хвиль.

Найімовірнішими джерелами гравітаційно-хвильового фону є пари надмасивних чорних дір, що швидко обертаються одна навколо одної. Ці чорні діри воістину колосальні, вони містять масу в мільярди сонць. Майже всі галактики, включно з Чумацьким Шляхом, мають у центрі хоча б одного з таких гігантів. Коли дві галактики зливаються, їхні надмасивні чорні діри можуть зустрітися і почати обертатися навколо одна одної. З часом їхні орбіти звужуються, поки діри зрештою не зіткнуться. На щастя, чорні діри стикаються через кілька мільйонів років після того, як починають випромінювати досить сильні гравітаційні хвилі, щоб їх можна було помітити за допомогою пульсарів.

Оскільки пари надмасивних чорних дір утворюються внаслідок злиття галактик, велика кількість їхніх гравітаційних хвиль допоможе космологам оцінити, як часто галактики стикалися протягом усієї історії Всесвіту. Поки висновки такі, що у Всесвіті налічуються сотні тисяч, а можливо, навіть мільйон пар із надмасивних чорних дір.

Тож поки що дослідники не стверджують, що виявили самі гравітаційні хвилі, але вони отримали дуже багатообіцяючий відбиток їхньої присутності.