Фон гравітаційних хвиль зафіксовано!
Науковці оголосили ввечері в середу (28 червня 2023 року), що вони виявили перші переконливі докази невловимого фону гравітаційних хвиль. Якщо вони не помиляються, то це ще один доказ правоти Айнштайна, який показав, що рух масивних об’єктів спотворює час і простір. Такі спотворення спричиняють появу своєрідного дзвону у Всесвіті. За допомогою надточних даних про положення пульсарів (це зорі-залишки вибухів наднових, що обертаються), отриманих протягом десятиліття, дослідники перетворили галактику Молочний Шлях в науковий інструмент шириною у світлові роки.
Коли чорні діри та інші дуже масивні щільні об’єкти обертаються один навколо одного, вони спричиняють появу бриж у просторі-часі, які називають гравітаційними хвилями. Ці хвилі є одним із небагатьох способів вивчення загадкових космічних гігантів, що їх створюють.
Астрономи зареєстрували високочастотне «щебетання» чорних дір, які стикаються, але наднизькочастотний гул надмасивних чорних дір, що обертаються одна навколо одної, виявити важче. Десятиліттями науковці спостерігали за пульсарами, типом зір, що випромінюють імпульси радіохвиль, як маяк, у пошуках слабких бриж цих хвиль.
Тепер, нарешті, об’єднання (колаборація) дослідників з усього світу, що вивчає пульсари, зокрема й Parkes Pulsar Timing Array з Австралії, оголосило про найпереконливіші докази існування гравітаційних хвиль низької частоти.
Що таке гравітаційні хвилі?
У 1915 році фізик німецького походження Альберт Айнштайн представив нове розуміння природи гравітації: загальну теорію відносності. Теорія описує Всесвіт як чотиривимірну «тканину» під назвою простір-час, яка може розтягуватися, стискатися, згинатися та скручуватися. Масивні предмети спотворюють цю тканину, спричиняючи гравітацію.
Цікавим наслідком цієї теорії є те, що рух масивних об’єктів має створювати брижі в тканині простір-час, які науковці називають гравітаційними хвилями і які поширюються зі швидкістю світла.
Щоб створити найменшу таку брижу, потрібна величезна кількість енергії. З цієї причини Айнштайн був переконаний, що гравітаційні хвилі ніколи не вдасться спостерігати прямо. Століттям пізніше дослідники з колаборацій LIGO та Virgo стали свідками зіткнення двох чорних дір, внаслідок чого сплеск гравітаційних хвиль поширювався по всьому Всесвіту.
Тепер, через сім років після того відкриття, радіоастрономи з Австралії, Китаю, Європи, Індії та Північної Америки знайшли докази існування ультранизькочастотних гравітаційних хвиль.
Повільний гул гравітаційних хвиль
На відміну від раптового сплеску гравітаційних хвиль, який було зареєстровано у 2015 році, період коливання наднизькочастотних гравітаційних хвиль триває роки або навіть десятиліття.
Науковці передбачають, що пари надмасивних чорних дір породжують наднизькочастотні гравітаційні хвилі. Це відбувається тоді, коли об’єкти обертаються в ядрах далеких галактик по всьому Всесвіту. Щоб виявити такі гравітаційні хвилі, дослідникам треба збудувати детектор розміром із Галактику. Або вонии можуть використати пульсари, які поширені по всій Галактиці й імпульси яких надходять до радіотелескопів з регулярністю точних годинників.
Оскільки гравітаційні хвилі спотворюють простір-час навколо Землі, вони змінюють час приходу радіохвиль від далеких пульсарів. Зображеннявід OzGrav/Swinburne/Carl Knox/The Conversation. Фото з сайту https://earthsky.org.
Масив синхронізації пульсарів і фон гравітаційних хвиль
За допомогою радіотелескопа Паркса, яким управляє Державне об’єднання наукових та прикладних досліджень (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO), науковці спостерігали за масивом пульсарів протягом майже двох десятиліть. Наукова група Parkes Pulsar Timing Array є однією з кількох об’єднаних організацій у всьому світі, які 28 червня поточного року оголосили про натяки на наявність гравітаційних хвиль у своїх останніх наборах даних.
Інші проєкти колаборації в Китаї (Chinese Pulsar Timing Array, CPTA), Європі та Індії (European Pulsar Timing Array, EPTA та Indian Pulsar Timing Array, InPTA) і Північній Америці (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav) бачать подібні сигнали.
Сигнал, який шукають науковці, — це випадковий «океан» гравітаційних хвиль, створених усіма парами надмасивних чорних дір у Всесвіті.
Сенс відкриття
Реєстрація цих хвиль є не лише ще одним тріумфом теорії Айнштайна, але й має важливі наслідки для нашого розуміння історії галактик у Всесвіті. Надмасивні чорні діри — це «двигуни» в центрі галактик, що живляться газом і регулюють утворення зір.
Сигнал має вигляд низькочастотного шуму, спільного для всіх пульсарів у вибірці, яку спостерігають дослідники. Коли гравітаційні хвилі рухаються до Землі, вони впливають на швидкість обертання пульсарів.
Розтягування та стискання нашої галактики цими хвилями змінює відстань до пульсарів лише на десятки метрів. Це небагато, коли пульсари зазвичай лежать на відстані приблизно 1000 світлових років від нас (це приблизно 10 000 000 000 000 000 000 метрів).
Примітно, що ми можемо спостерігати ці зрушення в просторі-часі як наносекундні затримки імпульсів, які радіоастрономи мають змогу відстежувати з відносною легкістю, оскільки пульсари є стабільними природними годинниками.
Про що оголошено?
Оскільки коливання наднизькочастотних гравітаційних хвиль відбуваються повільно, то згідно з передбаченнями науковців і сигнал з’являтиметься повільно. Спочатку радіоастрономи спостерігали звичайний шум у спостережних даних від пульсарів, але його походження було невідоме.
Тепер унікальний відбиток гравітаційних хвиль став проявлятися як атрибут цього сигналу. Його реєструє кожна группа колаборації Масиву синхронізації пульсарів (Pulsar Timing Array) у всьому світі. Цей відбиток описує особливий зв’язок між схожими затримками імпульсів і кутовою відстанню між парами пульсарів на небі.
Зв’язок виникає через те, що простір-час на Землі розтягується, змінюючи відстані до пульсарів у спосіб, який залежить від напрямку на них. Пульсари, розташовані близько один до одного на небесній сфері, видають більш схожий сигнал, ніж, наприклад, пульсари, розділені під прямим кутом.
Радіотелескоп Паркса CSIRO (місцева народність Віраджурі назвала цей телескоп у 2020 р. Murriyang, що символізує «Небесний світ» — Ред.). Зображення від CSIRO / A. Cherney / The Conversation. Фото з сайту https://earthsky.org.
Прорив у спробі реєстрації фону гравітаційних хвиль
Удосконалена технологія в обсерваторіях колаборації уможливила прорив. Масив синхронізації пульсарів Паркса має найдовший набір високоякісних даних завдяки вдосконаленому приймачу й технології обробки сигналу, встановленій на Murriyang. Ця технологія дала змогу виявити багато найкращих пульсарів, які колаборація використовує у всьому світі для пошуку гравітаційних хвиль.
Попередні результати колаборації та інших дослідників показали, що сигнал, очікуваний від гравітаційних хвиль, відсутній у спостереженнях пульсарів. Тепер, здається, науковці бачать сигнал із відносною ясністю. Поділяючи довгий набір даних на коротші «зрізи часу», дослідники показують, що сигнал зростає з часом. Основна причина цього явища невідома, але, можливо, гравітаційні хвилі поводяться несподівано.
Буде більше підтверджень
Нові докази наднизькочастотних гравітаційних хвиль не залишають байдужими астрономів. Щоб підтвердити ці результати, великі колаборації мають об’єднати свої набори даних, що в рази підвищить їхню чутливість до гравітаційних хвиль.
Зусилля зі створення цього об’єднаного набору даних зараз тривають у рамках проєкту International Pulsar Timing Array, учасники якого зустрілися минулого тижня в Порт-Дугласі (Австралія). Майбутні обсерваторії, такі як Square Kilometer Array, яку нині будують в Австралії та Південній Африці, перетворять такі дослідження на багате джерело знань про історію Всесвіту.
За інф. з сайту https://earthsky.org підготував Іван Крячко
