Кожна наднова, кожне злиття між нейтронними зірками або чорними дірами, навіть самотні нейтронні зірки, що швидко обертаються, можуть або повинні бути джерелом гравітаційних хвиль.
Навіть швидка інфляція простору після Великого вибуху 13,8 мільярда років тому мала б породити власний каскад гравітаційних хвиль.
Подібно до каменя, кинутого у ставок, ці масивні події повинні були викликати брижі, що відлунювали в самій тканині простору-часу – слабкі розширення і стиснення простору, які ми могли б виявити як розбіжності в тому, що повинно було б бути точно синхронізованим сигналом.
У сукупності ця суміш сигналів утворює випадкове або “стохастичне” гудіння, відоме як гравітаційний хвильовий фон, і це, можливо, одне з найбільш важливих відкриттів в астрономії гравітаційних хвиль.
І є натяки на те, що розвиток подій навколо цієї теми може бути неминучим, оскільки Північноамериканська наногерцова обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav) організовує скоординоване і глобальне оголошення в четвер, 29 червня 2023 року.
Оновлення проллє світло на дослідження, що проводяться Міжнародною мережею синхронізації пульсарів – глобальним консорціумом детекторів гравітаційних хвиль: Північноамериканського NANOGrav, Європейської мережі синхронізації пульсарів, Індійської мережі синхронізації пульсарів та австралійської мережі синхронізації пульсарів Parkes Pulsar Timing Array.
Новий рубіж у дослідженні космосу
Вважається, як і відкриття космічного мікрохвильового фону до нього (і продовжує вважатися), що знаходження фону гравітаційних хвиль широко розкриє наше розуміння Всесвіту та його еволюції.
“Виявлення стохастичного фону гравітаційного випромінювання може надати багато інформації про популяції астрофізичних джерел і процеси в дуже ранньому Всесвіті, які недоступні в будь-який інший спосіб”, – пояснює фізик-теоретик Сьюзан Скотт з Австралійського національного університету і Центру передового досвіду ARC з відкриття гравітаційних хвиль.
“Наприклад, електромагнітне випромінювання не дає картини Всесвіту раніше часу останнього розсіювання (близько 400 000 років після Великого вибуху). Гравітаційні хвилі, однак, можуть дати нам інформацію аж до початку інфляції, всього через ∼10-32 секунди після Великого вибуху”.
Щоб зрозуміти важливість гравітаційного хвильового фону, ми повинні трохи поговорити про інший релікт Великого Вибуху: космічний мікрохвильовий фон, або КХФ.
За мить після того, як наш Всесвіт почав цокати і простір почав остигати, піна, яка була всім, згустилася в непрозорий суп з субатомних частинок у вигляді іонізованої плазми.
Будь-яке випромінювання, що виходило з неї, розсіювалося, не даючи йому пролетіти на велику відстань. І лише коли ці субатомні частинки рекомбінували в атоми, в епоху, відому як Епоха рекомбінації, світло змогло вільно рухатися Всесвітом і далі, через еони.
Перший спалах світла прорвався крізь космос приблизно через 380 000 років після Великого вибуху, і в міру того, як Всесвіт зростав і розростався протягом наступних мільярдів років, це світло затягувалося в кожен куточок. Воно все ще оточує нас сьогодні. Це випромінювання надзвичайно слабке, але його можна виявити, особливо в мікрохвильовому діапазоні. Це і є CMB, перше світло у Всесвіті.
Нерівності в цьому світлі, так звані анізотропії, були спричинені невеликими температурними коливаннями, представленими цим першим світлом. Важко переоцінити, наскільки феноменальним було це відкриття: ХМБ – один з небагатьох наявних у нас зондів стану раннього Всесвіту.
Відкриття гравітаційного хвильового фону було б чудовим повторенням цього досягнення.
“Ми очікуємо, що виявлення та аналіз гравітаційного хвильового фону зробить революцію в нашому розумінні Всесвіту, – каже Скотт, – так само, як це було зроблено завдяки спостереженню космічного мікрохвильового фону та його анізотропії”.
Перше виявлення гравітаційних хвиль було зроблено зовсім недавно, у 2015 році.
Дві чорні діри, які зіткнулися приблизно 1,4 мільярда років тому, спричинили хвилі, що поширюються зі швидкістю світла; на Землі ці розширення і стиснення простору-часу дуже слабко спровокували інструмент, який розроблявся і вдосконалювався десятиліттями, чекаючи на виявлення саме такої події.
Це було монументальне відкриття з кількох причин. Воно вперше дало нам пряме підтвердження існування чорних дір.
Воно підтвердило передбачення, зроблене Загальною теорією відносності 100 років тому, про те, що гравітаційні хвилі є реальними.
І це означало, що цей інструмент, інтерферометр гравітаційних хвиль, над яким вчені працювали роками, зробить революцію в нашому розумінні чорних дір.
І це сталося. На сьогоднішній день інтерферометри LIGO та Virgo виявили майже 100 подій гравітаційних хвиль: достатньо сильних, щоб створити помітний сигнал у даних.
Ці інтерферометри використовують лазери, що світять у спеціальних тунелях довжиною в кілька кілометрів. На ці лазери впливають розтягнення і стиснення простору-часу, спричинені гравітаційними хвилями, створюючи інтерференційну картину, з якої вчені можуть зробити висновок про властивості компактних об’єктів, що генерують сигнали.
Але гравітаційний хвильовий фон – це зовсім інший звір.
“Астрофізичний фон створюється переплутаним шумом багатьох слабких, незалежних і невизначених астрофізичних джерел”, – каже Скотт.
“Наші наземні детектори гравітаційних хвиль LIGO і Virgo вже виявили гравітаційні хвилі від десятків окремих злиттів пари чорних дір, але астрофізичний фон від злиттів подвійних чорних дір зоряної маси, як очікується, буде ключовим джерелом GWB для цього поточного покоління детекторів. Ми знаємо, що існує велика кількість таких злиттів, які не можна розрізнити окремо, і разом вони створюють гул випадкового шуму в детекторах”.
Швидкість, з якою бінарні чорні діри стикаються у Всесвіті, невідома, але швидкість, з якою ми можемо їх виявляти, дає нам базову лінію, на основі якої ми можемо зробити оцінку.
Вчені вважають, що відбувається від одного злиття на хвилину до кількох на годину, причому сигнал кожного з них триває лише долі секунди. Ці окремі випадкові сигнали, ймовірно, були б занадто слабкими, щоб їх можна було виявити, але в сукупності вони створюють статичний фоновий шум; астрофізики порівнюють його зі звуком хлопання попкорну.
Це могло б бути джерелом стохастичного сигналу гравітаційної хвилі, який ми могли б очікувати знайти за допомогою таких інструментів, як інтерферометри LIGO та Virgo. Ці інструменти зараз проходять технічне обслуговування і підготовку, і до них приєднається третя обсерваторія, KAGRA в Японії, під час нового циклу спостережень у березні 2023 року. Виявлення попкорнового ГВБ за допомогою цієї співпраці не виключене.
Але це не єдині інструменти в наборі гравітаційних хвиль. І інші інструменти зможуть виявити інші джерела гравітаційного хвильового фону. Одним з таких інструментів, до запуску якого ще 15 років, є космічна антена лазерного інтерферометра (LISA), яку планується запустити в 2037 році.
Вона базується на тій самій технології, що й LIGO та Virgo, але з “руками” довжиною 2,5 мільйона кілометрів. Вона працюватиме в набагато нижчому частотному режимі, ніж LIGO і Virgo, і тому виявлятиме різні види гравітаційних хвиль.
“Він також може складатися з окремих детермінованих сигналів, які накладаються в часі, створюючи шум плутанини, схожий на фонові розмови на вечірці. Прикладом шуму плутанини є гравітаційне випромінювання, вироблене галактичним населенням компактних білих карликових подвійних зірок. Це буде важливим джерелом шуму плутанини для LISA. У цьому випадку стохастичний сигнал настільки сильний, що виходить на передній план, діючи як додаткове джерело шуму при спробі виявити інші слабкі сигнали гравітаційних хвиль у тій самій смузі частот”.
Теоретично LISA також може виявити космологічні джерела гравітаційного хвильового фону, такі як космічна інфляція відразу після Великого вибуху або космічні струни – теоретичні тріщини у Всесвіті, які могли утворитися в кінці інфляції, втрачаючи енергію через гравітаційні хвилі.
Вимірювання пульсу космосу
Існує також одна величезна обсерваторія гравітаційних хвиль галактичного масштабу, яку вчені вивчають у пошуках натяків на фон гравітаційних хвиль: часові масиви пульсарів. Пульсари – це тип нейтронних зірок, залишки колись масивних зірок, які загинули в результаті вражаючого спалаху наднової, залишивши після себе лише щільне ядро.
Пульсари обертаються таким чином, що промені радіовипромінювання з їхніх полюсів проносяться повз Землю, як космічний маяк; деякі з них роблять це з неймовірно точними інтервалами, що корисно для цілого ряду застосувань, наприклад, для навігації.
Але розтягнення і стиснення простору-часу теоретично повинно призводити до крихітних нерівномірностей у часі спалахів пульсарів.
Один пульсар, що демонструє незначні розбіжності в часі, може не означати багато, але якщо група пульсарів демонструє корельовані розбіжності в часі, це може свідчити про гравітаційні хвилі, що створюються надмасивними чорними дірами, які надихають нас.
Вчені знайшли спокусливі натяки на це джерело гравітаційного хвильового фону в масивах синхронізацій пульсарів, але у нас поки що недостатньо даних, щоб визначити, чи це так.
Хоча це може змінитися з останнім оновленням у четвер, 29 червня 2023 року.
Ми стоїмо так спокусливо близько до виявлення гравітаційного хвильового фону: астрофізичного фону, що розкриває поведінку чорних дір у Всесвіті; і космологічного фону – квантові флуктуації, що спостерігаються в CMB, інфляція, сам Великий вибух.
Це, за словами Скотта, “білий кит”: той, кого ми побачимо лише після важкої роботи з розчленування фону на дискретні джерела, що складають галасливе ціле.
“Хоча ми з нетерпінням чекаємо на велику кількість інформації, яка з’явиться завдяки виявленню астрофізичного фону, спостереження гравітаційних хвиль від Великого вибуху – це справді кінцева мета астрономії гравітаційних хвиль”, – каже вона.
“Усунувши цей бінарний фон чорної діри, запропоновані наземні детектори третього покоління, такі як телескоп Ейнштейна і Cosmic Explorer, можуть стати чутливими до космологічно створеного фону за 5 років спостережень, тим самим увійшовши в область, де можна робити важливі космологічні спостереження”.
