Астрономічний прорив у фізиці: вчені вперше зафіксували фоновий шум гравітаційних хвиль

Колаборація NANOGrav, яка є частиною Міжнародної системи вимірювання пульсарів (IPTA), оголосила про перші вагомі докази існування фону гравітаційних хвиль – низькочастотної вібрації простору-часу, яка, як очікується, пронизує Всесвіт. Це досягнення стало результатом 15 років роботи над створенням детектора гравітаційних хвиль розміром із галактику.

• Учені зрозуміли, як виявити іншопланетян

Деталі

Детектор, відомий як Pulsar Timing Array, працює з використанням пульсарів — особливого типу нейтронних зірок. Нейтронна зоря — це зруйноване ядро ​​масивної зірки, яка стала надновою, але не була настільки важкою, щоб перетворитися на чорну діру. Деякі нейтронні зорі випромінюють імпульси, як космічний маяк, і особливий клас цих пульсарів обертається навколо своїх осей сотні разів на секунду.

Такі мілісекундні пульсари є не просто чудовими космічними маяками – вони також є точними годинниками, оскільки інтервал між імпульсами залишається приголомшливо регулярним. Але є речі, які впливають на спостережуваний час імпульсу, наприклад вплив зірки-компаньйона на пульсар, міжзоряне середовище та положення Землі. Якщо все це відділити, то залишається лише ефект простору-часу, який змінюється гравітаційними хвилями. Ці хвилі розтягують і штовхають простір-час, змінюючи довжину імпульсу на мізерну частку. Голова Робочої групи з хронометражу для NANOGrav Танфул Кромарті зазначає:

Хронометраж пульсара — це процес створення моделі, яка передбачає кожен імпульс від пульсара, що досягає далекого майбутнього. Це виконано з точністю, яка конкурує з атомним годинником, що необхідно для чутливості гравітаційних хвиль, якої ми намагаємося досягти.

Тож, вимірявши обертання пульсарів із приголомшливою точністю, астрономи дізналися про коливання простору-часу, яких ніколи раніше не бачили. Вони поки що не називають це відкриттям, оскільки дані не досягли легендарного порогу 5 сигм, який вказує, що спостережене явище не випадковість. Але ймовірність того, що шум імітує дані, становить 1 на 1000, а в деяких тестах це 1 на 10 000. Звідси твердження, що це є вагомим доказом наявності фону гравітаційної хвилі.

Частота цих хвиль набагато нижча, ніж те, що видно в обсерваторіях на Землі, а вони й так досить чутливі. Подібні детектори LIGO і Virgo можуть виявляти зміни в просторі-часі частки атома, але цього теж замало, тому потрібен ще більший детектор. У масиві NANOGrav є 68-мілісекундні пульсари, причому кожен пульсар діє як плече детектора.

Гравітаційні хвилі, які були виявлені досі, походять від конкретних подій. Але фон, який був виявлений цього разу, походить не від одної події. Вважається, що він походить від усіх надмасивних чорних дір у парах, розташованих у Всесвіті, хоча цілком можливо, що деякі з хвиль походять від самого Великого вибуху або періоду космічної інфляції.

Коли галактики зливаються, їхні надмасивні чорні діри рухаються назустріч одна одній. Зрештою вони обертатимуться навколо один одного та зіллються. Вчені не зовсім впевнені, як все це відбувається, що називається проблемою останнього парсека, оскільки їм потрібно втратити багато енергії, щоб завершити злиття. Вважається, що фон гравітаційної хвилі складається з хвиль, створених надмасивними чорними дірами, які вже подолали поріг парсека та, як очікується, зіллються протягом 10 000 - 100 000 років. І це масові та поширені події.

Вчені пояснюють, що для пояснення отриманих даних мають існувати досить масивні чорні діри й вони повинні досить часто формувати подвійні системи та ефективно еволюціонувати.

Команда NANOGrav сподівається, що врешті-решт зможе відрізнити фон гравітаційних хвиль від злиття чорних дір та фон, який походить від народження Всесвіту, а також знайти розташування в небі конкретних подвійних надмасивних чорних дір. Ця остання мета може бути досягнута за кілька років. Викладач Центру астрофізики Джодрелла Бенка при Університеті Манчестера доктор Майкл Кіт заявив:

Результати, представлені сьогодні, знаменують початок нової подорожі у Всесвіт, щоб розкрити деякі з його нерозгаданих таємниць. Ми неймовірно раді, що після десятиліть роботи сотень астрономів і фізиків у всьому світі ми нарешті бачимо ознаки гравітаційних хвиль із далекого Всесвіту.

Раніше ми писали, що може статися, якщо порівняно близький до Землі червоний надгігант Бетельгейзе вибухне. В останні роки ця гігантська зоря поводиться дуже незвично.