Використовуючи зірки-пульсари яко маяки, через десятиліття спроб вдалося виявити просторово-часові брижі хвиль завширшки у світлові роки.
Гравітаційні хвилі повернулися, і тепер вони більші, ніж будь-коли.
Після історичного першого виявлення просторово-часових пульсацій у 2015 році за допомогою наземних детекторів, дослідники можуть знову відкрити хвилі Альберта Айнштайна за допомогою зовсім іншої техніки. За новим методом відстежують зміни у відстанях між Землею та пульсарами, зірками-маяками в її галактичному оточенні, що показує, як простір між ними розтягується і стискається під час проходження гравітаційних хвиль.
Якщо перше відкриття зафіксувало хвилі, що виникають від зіткнення і злиття двох чорних дір розміром із зірку, то найбільш імовірним джерелом останнього відкриття є комбінований сигнал від багатьох пар значно більших чорних дір – у мільйони або навіть мільярди разів більших за масу Сонця – які повільно обертаються одна навколо одної в осердях далеких галактик. Ці хвилі в тисячі разів потужніші, ніж ті, що були виявлені в 2015 році, і довші – аж до десятків світлових років, тоді як виявлені з 2015 року за допомогою методу інтерферометрії пульсації були завдовжки лише у десятки чи сотні кілометрів.
"Ми можемо казати, що Земля коливається в гравітаційних хвилях, які пронизують нашу Галактику", – каже Скотт Ренсом, астрофізик із Національної радіоастрономічної обсерваторії США в Шарлотсвіллі, штат Вірджинія, і старший член NANOGrav – однієї з чотирьох груп, які оголосили про деякі свої результати 29 червня.
"Ми поки що не використовуємо слово на букву «в», тобто «виявлення», – каже Ренсом. – Але вважаємо, що це переконливі докази". Кожна група бачила натяки на очікувану ознаку гравітаційних хвиль, але без статистичної визначеності точного відкриття, зазначають Ренсом та інші дослідники. Тепер дослідники об'єднають свої дані, щоб побачити, чи зможуть вони досягти порогового значення впевненості разом.
"Якщо це підтвердиться, у нас буде 20 років роботи над вивченням цього нового фону, – каже Моніка Кольпі, яка вивчає теорію гравітаційних хвиль і чорних дір в Міланському університеті Бікокка в Італії. – Це змусить працювати цілу армію астрофізиків".
Спіймати хвилю
Три команди науковців зібрали дані про пульсари за десятиліття і повідомляють про схожі результати: північноамериканська група NANOGrav, EPTA (Європейська мережа синхронізації пульсарів) за участі астрономів з Індії та мережа синхронізації пульсарів Паркс в Австралії. Четверта група, Китайська мережа синхронізації пульсарів, повідомляє, що знайшла сигнал, використовуючи дані лише за три роки, завдяки винятковій чутливості сферичного телескопа з п'ятсотметровою апертурою (FAST), який відкрився 2016 року в реґіоні Гуйчжоу.
Кейджа Лі, радіоастроном з Пекінського університету, який очолював дослідження FAST, каже, що не був здивований результатом. "Мій розрахунок чутливості гравітаційних хвиль для спостережень FAST був проведений ще в 2009 році, коли я був аспірантом".
Усі групи використовують масивні радіотелескопи для спостереження за "мілісекундними" пульсарами. Це неймовірно щільні нейтронні зірки, які випромінюють радіохвилі зі своїх магнітних полюсів. Щоразу, коли пульсар обертається навколо своєї осі, його радіохвиля входить і виходить за межі видимості Землі, утворюючи імпульс з регулярними інтервалами. Мілісекундні пульсари обертаються найшвидше, до кількох сотень разів на секунду.
"Ми можемо використовувати їх фактично як годинник", – каже Ендрю Зік, радіоастроном з Австралійського національного агентства телескопічних досліджень у Сіднеї та провідний автор статті Паркса. Незначні зміни в часі надходження сигналів пульсара можуть означати, що простір між зіркою і Землею змінився внаслідок проходження гравітаційної хвилі.
Для виявлення гравітаційних хвиль часовий інтервал одного пульсара був би недостатньо надійним. Натомість кожна група дослідників відстежує масив з десятків пульсарів. У результаті вони виявили залежність (сигнатуру, названу кривою Геллінгса-Даунса) зміни кореляцій між парами пульсарів від їхньої віддаленості на небі – за наявності гравітаційних хвиль, які йдуть з усіх можливих напрямків. NANOGrav першим виявив цю можливість і повідомив про неї колегам у 2020 році. Але команда вирішила, перш ніж публікувати результати, дочекатись, поки натяки на криву побачать інші дослідники.
"Побачити криву Геллінгса-Даунса вперше наживо – це було прекрасним моментом, – каже К’яра Мінгареллі, астрофізик гравітаційних хвиль з Єльського університету в Нью-Гейвені, штат Коннектикут, і член NANOGrav. – Мені ніколи не набридне на це дивитися".
Альберто Веккьо, астрофізик з Бірмінгемського університету і член європейської команди, розповідає, що його першою реакцією на результати своєї групи було: "Чорт забирай, це може бути щось цікаве".
Довга гра
Айнштайн першим передбачив гравітаційні хвилі у 1916 році. 14 вересня 2015 року подвійні детектори лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) в Луїзіані та штаті Вашинґтон підтвердили його передбачення, зафіксувавши сплеск хвиль від злиття двох чорних дір. Відтоді фізики зафіксували гравітаційні хвилі від десятків подібних подій.
Якщо недавно виявлений сигнал дійсно походить від об'єднаних гравітаційних хвиль тисяч пар надмасивних чорних дір у Всесвіті, то це буде першим прямим доказом того, що такі пари існують і що деякі з них мають достатньо щільні орбіти, щоби створювати вимірювані гравітаційні хвилі. Кольпі зазначає, що головним наслідком цього є те, що кожна з пар врешті-решт зіллється, утворюючи сплески, подібні до тих, які спостерігав LIGO, але у значно більшому масштабі. Сигнали деяких із цих зіткнень виявлятимуться в космосі за допомогою космічної антени лазерного інтерферометра (LISA) – місії Європейського космічного агентства, яку планують запустити в 2030-х роках.
Дослідники сподіваються, що згодом вони вийдуть за межі кореляційної кривої Геллінгса-Даунса і побачать сигнали окремих надмасивних подвійних чорних дір, достатньо близьких до нашої Галактики – і, відповідно, достатньо гучних у сенсі гравітаційних хвиль, щоб вирізнятися від фонового сигналу. "Щоб побачити ізольоване джерело, воно має бути дуже сильним", – каже Веккьо.
Однак наразі не можна відкидати й інших джерел цих хвиль, зокрема можливого залишкового гравітаційного шуму від Великого вибуху.
"Це була довга і терпляча гра, – каже Зік. – Тепер ми дійсно починаємо відкривати вікно в цей ультранизькочастотний спектр гравітаційних хвиль".
Davide Castelvecchi
Monster gravitational waves spotted for first time
Nature, 29.06.2023
05.07.2023