Астрономический прорыв в физике: ученые впервые зафиксировали фоновый шум гравитационных волн

Коллаборация NANOGrav, которая является частью Международной системы измерения пульсаров (IPTA), объявила о первых веских доказательствах существования фона гравитационных волн – низкочастотной вибрации пространства-времени, которая, как ожидается, пронизывает Вселенную. Это достижение явилось результатом 15 лет работы над созданием детектора гравитационных волн размером с галактику.

• Ученые поняли, как обнаружить инопланетян

Детали

Детектор, известный как Pulsar Timing Array, работает с использованием пульсаров – особого типа нейтронных звезд. Нейтронная звезда — это разрушенное ядро ​​массивной звезды, ставшей сверхновой, но не столь тяжелой, чтобы превратиться в черную дыру. Некоторые нейтронные звезды излучают импульсы, как космический маяк, и особый класс этих пульсаров вращается вокруг своих осей сотни раз в секунду.

Такие миллисекундные пульсары являются не просто отличными космическими маяками – они также являются точными часами, поскольку интервал между импульсами остается потрясающе регулярным. Но есть вещи, которые влияют на наблюдаемое время импульса, например, влияние звезды-компаньона на пульсар, межзвездная среда и положение Земли. Если все это отделить, то остается лишь эффект пространства-времени, сменяющийся гравитационными волнами. Эти волны растягивают и толкают пространство-время, изменяя длину импульса на скудную долю. Глава Рабочей группы по хронометражу для NANOGrav Танфул Кромарти отмечает:

Хронометраж пульсара – это процесс создания модели, которая предполагает каждый импульс от пульсара, достигающий далекого будущего. Это выполнено с точностью, конкурирующей с атомными часами, что необходимо для чувствительности гравитационных волн, которой мы пытаемся достичь.

Измерив вращение пульсаров с потрясающей точностью, астрономы узнали о колебаниях пространства-времени, которых никогда раньше не видели. Они пока не называют это открытием, поскольку данные не достигли легендарного порога 5 сигм, указывающего, что наблюдаемое явление не случайность. Но вероятность того, что шум имитирует данные, составляет 1 на 1000, а в некоторых тестах это 1 на 10 000. Отсюда утверждение, что это весомое доказательство наличия фона гравитационной волны.

Частота этих волн намного ниже, чем то, что видно в обсерваториях на Земле, а они и так достаточно чувствительны. Подобные детекторы LIGO и Virgo могут обнаруживать изменения в пространстве-времени части атома, но этого тоже мало, поэтому нужен еще больший детектор. В массиве NANOGrav имеются 68-миллисекундные пульсары, причем каждый пульсар действует как плечо детектора.

Гравитационные волны, обнаруженные до сих пор, происходят от конкретных событий. Но фон, обнаруженный на этот раз, происходит не от одного события. Считается, что он произошел от всех сверхмассивных черных дыр в парах, расположенных во Вселенной, хотя вполне возможно, что некоторые волны произошли от самого Большого взрыва или периода космической инфляции.

Когда галактики сливаются, их сверхмассивные черные дыры двигаются навстречу друг другу. В конце концов, они будут вращаться вокруг друг друга и сольются. Ученые не совсем уверены, как все это происходит, что называется проблемой последнего парсека, поскольку им нужно потерять много энергии, чтобы завершить слияние. Считается, что фон гравитационной волны состоит из волн, созданных сверхмассивными черными дырами, уже преодолевшими порог парсека и, как ожидается, сольются в течение 10 000 – 100 000 лет. Это и массовые, и распространенные события.

Ученые объясняют, что для пояснения полученных данных должны существовать достаточно массивные черные дыры и они должны довольно часто формировать двойные системы и эффективно эволюционировать.

Команда NANOGrav надеется, что в конце концов сможет отличить фон гравитационных волн от слияния черных дыр и фон, происходящий от рождения Вселенной, а также найти расположение в небе конкретных двойных сверхмассивных черных дыр. Эта последняя цель может быть достигнута через несколько лет. Преподаватель Центра астрофизики Джодрелла Бенка при Университете Манчестера доктор Майкл Кит заявил:

Результаты, представленные сегодня, знаменуют начало нового путешествия во Вселенную, чтобы раскрыть некоторые из ее неразгаданных тайн. Мы невероятно рады, что после десятилетий работы сотен астрономов и физиков во всем мире мы наконец-то видим признаки гравитационных волн из далекой Вселенной.

Раньше мы писали, что может произойти, если сравнительно близкий к Земле красный сверхгигант Бетельгейзе взорвется. В последние годы эта гигантская заря ведет себя очень необычно.