Первое доказательство существования стохастического гравитационно-волнового фона

В 1916 году немецкий ученый Альберт Эйнштейн впервые предположил существование изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам, позже названных гравитационными волнами. Согласно его теории общей теории относительности, они должны были генерироваться во время очень энергичных космических событий, как следствие изменения кривизны пространства-времени, которая, в свою очередь, обусловлена наличием массы.

100 лет спустя, 11 февраля 2016 года, коллаборации LIGO и Virgo объявили о первом прямом обнаружении и наблюдении гравитационных волн, которое произошло в сентябре 2015 года. Столкновение двух черных дыр привело к пульсации ткани пространства-времени. Эта рябь дошла до нас и была зафиксирована двумя приборами.

Сегодня, 29 июня 2023 года, коллаборация NANOGrav (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) объявила о первом прямом обнаружении стохастического гравитационно-волнового фона (GWB). Открытие было сделано с помощью данных наблюдений за 68 пульсарами, собранных в течение 15 лет. Точное происхождение этого фонового сигнала пока не определено и требует дальнейших наблюдений.

Что такое стохастический гравитационно-волновой фон?

Стохастический гравитационно-волновой фон - это совокупность сигналов от различных космических источников, распределенных по всей Вселенной. В отличие от гравитационных волн, генерируемых отдельными, четко выраженными событиями, такими как слияние черных дыр или взрывы сверхновых, стохастический фон состоит из "шума" от множества различных источников.

Этот стохастический фон, представляющий собой настоящий фоновый рокот Вселенной, проявляется как непрерывный сигнал. На самом деле, составляющие его гравитационные волны накладываются друг на друга и объединяются, создавая смесь сигналов, потенциальными источниками которых являются, например, сумма волн, порожденных многими слияниями сверхмассивных черных дыр во Вселенной, или гравитационные волны, порожденные в первобытную эпоху вскоре после Большого взрыва.

До сих пор их обнаружение было невозможным. Низкочастотные гравитационные волны создают возмущения настолько малые, что их не могут обнаружить такие приборы, как LIGO и Virgo. И даже если бы они были обнаружены, существует множество внешних факторов, которые вносят фоновый шум в измерения, и их устранение - сложная задача, требующая очень сложных технологий и методов анализа данных. Кроме того, необходимо иметь большой объем данных, собранных за длительный период времени.

Как это было выявлено?

Доказательства стохастического фона, о котором объявил NANOGrav, были обнаружены с помощью метода Pulsar Timing Array (PTA). Это метод, используемый для обнаружения низкочастотных гравитационных волн, основанный на наблюдениях за пульсарами - сильно намагниченными нейтронными звездами, которые испускают регулярные импульсы радиоволн.

Эти импульсы, настолько точные, что их сравнивают с "космическими часами", могут быть обнаружены телескопами на Земле в виде радиосигналов. Ученые точно измеряют время прихода сигналов и сравнивают его со стабильными эталонными часами.

Если гравитационная волна проходит через область пространства между Землей и пульсаром, ее распространение может повлиять на время прихода сигналов пульсара на Землю. Гравитационная волна, по сути, вызывает небольшую деформацию пространства-времени, что приводит к задержке или опережению времени прихода рассматриваемых сигналов.

Сравнивая время прихода сигналов от разных пульсаров и изучая корреляции между ними, можно определить сигнатуру гравитационной волны, проходящей через сеть пульсаров. Для анализа данных о времени прихода сигналов от пульсаров и поиска когерентных сигналов, указывающих на присутствие гравитационных волн, необходимы сложные методы.

Это предполагает коррекцию нежелательных переменных, таких как атмосферные эффекты и инструментальный шум, для точного определения отклонений, вызванных гравитационными волнами.

Метод РТА особенно чувствителен к низкочастотным гравитационным волнам, включая те, которые генерируются космическими событиями, такими как слияние сверхмассивных черных дыр. Используя наблюдения за сетью пульсаров, распределенных по небу, исследователи ищут когерентные сигналы и корреляции во временных данных, чтобы выявить присутствие гравитационных волн.

Какими могут быть источники?

Хотя NANOGrav предоставил первое убедительное доказательство существования стохастического фона гравитационных волн в наногерцовом диапазоне частот, происхождение этого фона до сих пор неизвестно. В целом, источники могут быть либо астрофизическими, то есть столкновения очень массивных небесных объектов, либо космологическими, то есть от механизмов, эффектов и явлений, восходящих к первозданной Вселенной и периоду космической инфляции.

В одном из опубликованных исследований рассматриваются различные космологические источники и сравниваются с астрофизическим сигналом, производимым популяцией сверхмассивных бинарных черных дыр, в попытке подтвердить или опровергнуть возможность того, что они являются источником. Однако полученных результатов недостаточно для точного указания, а анализ не учитывает весь диапазон неопределенностей космологических и астрофизических сигналов.

Поэтому важны будущие анализы, направленные на более подробную характеристику так называемого "спектра мощности" сигнала и сосредоточенные на наблюдении анизотропии, вариаций в сигнале, которые могут помочь отличить астрофизическое происхождение от космологического. Чтобы лучше понять интерпретацию сигнала, необходимо также определить модели, которые точно воспроизводят наблюдаемые параметры и учитывают возможные вариации, возникающие при учете темной материи.

Что означает это открытие?

Успешное обнаружение стохастического фона гравитационных волн впервые имеет значительные последствия в нескольких областях. Во-первых, это еще одно подтверждение общей теории относительности Эйнштейна. Кроме того, стохастический фон содержит ценную информацию о ранней Вселенной.

Обнаружение этого сигнала позволяет исследовать начальные условия Вселенной, включая ее размер, плотность и характер фундаментальных взаимодействий на ранних этапах космической эволюции. Фазы, в которых (где-то и каким-то объектом) генерировались эти волны.

Очевидно, что возможность проследить источники этих волн позволит нам получить информацию о различных астрофизических источниках, которые вносят вклад в этот фоновый шум. Это может помочь нам лучше понять формирование и эволюцию галактик, слияние черных дыр и нейтронных звезд, а также высокоэнергетические астрофизические процессы, порождающие гравитационные волны.

Но мы также говорим о новой физике, о новом способе зондирования всей Вселенной, выходящем за рамки классического способа сбора света. И, возможно, мы также нашли новый источник информации о физических теориях за пределами общей теории относительности, таких как квантовая гравитация и природа темной материи.