Фізики виявили фоновий гул Всесвіту
Вчені виявили загадковий сигнал зірок, що може розкрити секрети гравітаційних хвиль. Чи стали вони свідками чогось унікального?
Офіційно. Щось там стрясає зірки так, що це вже не можна пояснити випадковістю.
Кілька команд з усього світу незалежно один від одного виявили сигнал у синхронізації спалахів зірок, які називаються пульсарами, що вказує на гігантські, довгохвильові гравітаційні хвилі, які прокочуються галактикою. Це ще не зовсім виявлення цих гравітаційних хвиль, але існує понад 99-відсоткова ймовірність того, що те, на що ми дивимось, є чимось значущим.
Команди з Австралії, США, Європи, Китаю та Індії публікують свої результати одночасно в безлічі статей.
“Протягом останніх 15 років ми намагалися знайти низькочастотний гул гравітаційних хвиль, що лунають у Всесвіті і пронизують нашу галактику, викривляючи простір-час у вимірюваний спосіб”, – сказав на прес-брифінгу астрофізик Стівен Тейлор з Університету Вандербільта і голова команди NANOGrav в США.
“Ми дуже раді повідомити, що наша наполеглива робота окупилася, і … у нас є захоплюючі докази цього фону гравітаційних хвиль”.
Астрономія гравітаційних хвиль є відносно новою галуззю, яка виникла після виявлення пульсацій простору-часу, спричинених двома чорними дірами, що зіштовхуються, у 2015 році. Відтоді наші земні детектори гравітаційних хвиль зафіксували майже 100 підтверджених гравітаційних хвиль, які виникли внаслідок злиття компактних об’єктів зоряної маси – чорних дір і нейтронних зірок.
Гравітаційні хвилі спричинені масштабними подіями у Всесвіті. Уявіть собі зіткнення чорних дір як камінь, кинутий у ставок, а гравітаційні хвилі – як брижі, що утворюються при цьому. Середовищем є сам простір-час, а брижі, що рухаються зі швидкістю світла, поширюються в усіх напрямках, розтягуючи і стискаючи простір-час у спосіб, який ми можемо виявити. Якщо ви хочете зануритися глибше, ми пояснили всю історію більш детально тут.
А тепер уявіть, скільки чорних дір має зіштовхуватись у Всесвіті. І скільки інших масивних подій має генерувати ці пульсації. Простір-час повинен просто гудіти від гравітаційних хвиль, але є проблема. Земля просто занадто мала, щоб виявити їх на довших хвилях наногерцового діапазону, які можуть простягатися на світлові роки, які очікуються від більш масивних подій, таких як злиття надмасивних чорних дір у центрах галактик.
Однак, на щастя, ми живемо в галактиці, яка набагато більша за Землю. І в нашій галактиці є дещо, що випромінює дуже точно синхронізовані сигнали, на які можуть впливати гравітаційні хвилі наногерцового діапазону: радіопульсари. Це нейтронні зірки, які обертаються надзвичайно швидко, а з їхніх магнітних полюсів вивергаються струмені радіовипромінювання. Обертаючись, ці промені проносяться повз Землю, як космічний маяк, і оскільки час цих імпульсів дуже точний, ми можемо використовувати їх, щоб визначити, як простір розтягується і стискається, коли крізь нього проходять гравітаційні хвилі.
Одного незначного збою в синхронізації недостатньо. Але якщо у вас є достатньо пульсарів з корельованими збоями протягом досить тривалого часу, ви можете зібрати докази існування великої гравітаційної хвилі. Саме це і зробили різні команди з усього світу, вивчаючи загалом 115 пульсарів між собою протягом 18 років для масиву синхронізації пульсарів Паркса в Австралії.
“Масив синхронізації пульсарів – це детектор гравітаційних хвиль галактичного масштабу. Ми виявили спільний “гуркіт” серед пульсарів нашого масиву – сигнал на наднизьких частотах”, – розповідає ScienceAlert астрофізик Деніел Реардон з PPTA та Університету Свінберна в Австралії.
“Ми, разом з нашими міжнародними колегами, зараз також бачимо натяк на відбиток, який ідентифікує цей гуркіт як такий, що походить від гравітаційних хвиль”.
Натяки на цей сигнал були і раніше. У січні 2021 року NANOGrav опублікував статтю, в якій детально описав те, що, на їхню думку, було першим натяком на гравітаційний хвильовий фон у даних синхронізації пульсарів. У січні 2022 року Міжнародний масив синхронізації пульсарів (International Pulsar Timing Array) наслідував цей приклад зі своїм набором пульсарів.
Тепер, після кропіткої роботи, щоб визначити, що сигнал не був згенерований пульсарами або іншими шумами в даних, дослідники дійшли висновку, що сигнал є значущим.
Рівень достовірності сигналу NANOGRA становить 4 сигми для 67 пульсарів, або 99,349 відсотка. Сигнал PPTA має нижчий рівень достовірності, оскільки він досліджував менше пульсарів; його виявлення ґрунтується лише на 30 зірках, але за довший період. Золотим стандартом для відкриття є 5 сигма. Отже, попереду ще багато роботи.
“Це ще не виявлення гравітаційних хвиль, – каже Ріардон. “Цей відбиток повинен стати більш чітким, наприклад, за допомогою більшої кількості даних, щоб підтвердити, що це виявлення гравітаційних хвиль. Але, тим не менш, це дуже цікаво, тому що очікувалося, що цей відбиток буде повільно з’являтися в наших наборах даних, як це, схоже, відбувається з доказами, що спостерігаються в результаті спільної роботи над масивом синхронізацій пульсарів”.
Оскільки це ще не підтверджене виявлення гравітаційної хвилі, дослідники не можуть остаточно сказати, що є її причиною. Найочевидніша відповідь – надмасивні чорні діри. Злиття надмасивних чорних дір повинно відбуватися з такою швидкістю, щоб наповнити Всесвіт шумом гравітаційних хвиль, подібним до морського гуркоту.
Це не єдине потенційне джерело гравітаційного хвильового фону. Космічні струни, фазові зміни у Всесвіті, швидка інфляція простору, що послідувала за Великим вибухом, – все це могло спричинити низькочастотні гравітаційні хвилі. (Великий вибух також міг їх спричинити, але довжина хвилі дорівнювала б розміру Всесвіту, а для цього у нас точно немає достатньо великого детектора).
Ймовірно, зараз ми спостерігаємо фон надмасивної чорної діри.
“Ми знаємо, що кожна велика галактика має надмасивну чорну діру в своєму ядрі. Ми також знаємо, що галактики зіштовхуються, і коли це відбувається, ми очікуємо, що надмасивні чорні діри опускаються до центру і починають кружляти одна навколо одної, випромінюючи гравітаційні хвилі”, – пояснює Ріардон.
“Чим далі ми заглядаємо у Всесвіт, тим більше таких надмасивних систем чорних дір ми бачимо. Дуже велика популяція орбітальних надмасивних чорних дір у далекому Всесвіті створює випадковий океан гравітаційних хвиль, які омивають Землю і пульсари в нашій галактиці”.
Астрономія часових масивів пульсарів – це довга гра, але ми близькі до підтвердженого сигналу. Окремі масиви синхронізації пульсарів по всьому світу вже об’єднали свої набори даних і працюють над підтвердженням своїх висновків в рамках співпраці з IPTA. Підтвердження має з’явитися протягом року, можливо, навіть двох.
Тоді може розпочатися смілива нова ера наногерцової гравітаційної хвильової астрономії. Дослідники зможуть виокремити сигнал, вивчити його характеристики і з’ясувати джерела масивних гравітаційних збурень, що проносяться космосом. Звідти ми можемо навіть почати досліджувати, більш детально, ніж будь-коли раніше, властивості надмасивних чорних дір.
“Ці роботи з синхронізацією пульсарів є першими натяками на гравітаційні хвилі наногерцових частот”, – розповідає Ріардон в інтерв’ю ScienceAlert .
“Уявити, що Всесвіт насправді є бурхливим океаном простору, що розтягується і стискається, неймовірно. Надмасивні чорні діри – це космічні бегемоти в серцях галактик, які живляться газом і порушують процес зореутворення. Я з нетерпінням чекаю майбутнього, коли наші спостереження за пульсарами розкриють складну карту гравітаційних хвиль, що пульсують від пар надмасивних чорних дір. Ми побачимо фоновий гул Всесвіту з точковими “гарячими точками” гравітаційних хвиль від окремих пар надмасивних чорних дір, що лежать у галактиках, які ми зможемо ідентифікувати”.
