Вселенную пронизывает «эхо» низкочастотных гравитационных волн
В 2016 году астрофизики доказали существование гравитационных волн – ряби в пространстве-времени, вызванной столкновением массивных черных дыр. О том, что гравитационные волны действительно существуют, говорил еще в 1916 году Альберт Эйнштейн, хотя и сомневался в том, что их когда-нибудь удастся обнаружить. Все потому, что гравитационные волны представляют собой изменения гравитационного поля и распространяются подобно волнам, которые, когда проходят между двумя небесными телами, то изменяют расстояние между ними. Открытие гравитационных волн, удостоенное Нобелевской премии в 2017 году, также стало первым доказательством существования черных дыр – одних из самых таинственных космических обитателей. Теперь же, исследователи обнаружили низкочастотные гравитационные волны, источником которых, вероятно, могут быть как медленно сближающиеся двойные сверхмассивные черные дыры, так и космические струны.
Содержание
1. Рябь пространства-времени
2. Что можно узнать о Вселенной с помощью гравитационных волн?
3. Какими могут быть гравитационные волны?
4. Низкочастотные гравитационные волны
5. Революция в области космологии
Будучи крошечной рябью мироздания, гравитационные волны появляются в результате мощных космических событий, например, столкновения черных дыр. Путешествия по просторам Вселенной, эти волны постепенно теряют энергию, становясь слабее и незаметнее. Вот почему обнаружить их было настолько трудно. Но обо по-порядку.
Один из главных выводов Общей теории относительности (ОТО) заключается в том, что когда объекты, обладающие массой, искривляют ткань пространства-времени, возникает гравитация – главная сила, управляющая Вселенной. Так, звезда искривляет пространство-время сильнее, чем планета, а черная дыра искривляет его сильнее, чем звезда (чем больше масса объекта, тем сильнее он искривляет ткань пространства-времени).
Гравитация – главная сила, управляющая Вселенной
Таким образом, два ускоряющихся объекта большой массы заставляют пространство-время колебаться и испускать волны, распространяющиеся по всему космосу. Эти волны в пространстве-времени, распространяются во всех направлениях от источника и движутся со скоростью света, которая также является скоростью гравитации.
Гравитационные волны – рябь в пространстве-времени. Эти колебания возникают, когда масса ускоряется. Чем больше масса или чем быстрее ускорение, тем сильнее гравитационная волна.
Напомним, что зафиксировать гравитационные волны в 2015 году удалось исследователям американской лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и европейской обсерватории VIRGO. Эти мощные детекторы прослушивают космос в поисках крупных космических происшествий, а с 2015 года было обнаружено около 100 других гравитационно-волновых сигналов.
Что можно узнать о Вселенной с помощью гравитационных волн?
Гравитационные волны кодируют информацию о событиях, которые их создают. Так, частота волны зависит от массы объектов, а сила – от того, на каком расстоянии (от нашей планеты) происходит «космическая авария». И хотя с момента открытия гравитационных волн прошло не так много времени, мы уже многое узнали о Вселенной и ее самых загадочных обитателях – черные дыры, например, сталкиваются намного чаще, чем считалось раньше.
Отметим также, что создавать гравитационные волны могут абсолютно все гравитационные системы. Но так как мы можем зафиксировать гравитационные волны от самых мощных космических событий, именно на их поисках сегодня сосредоточены астрофизики.
Смоделированное изображение столкновения двух массивных черных дыр, породивших гравитационные волны, зафиксированные обсерваториями LIGO и VIRGO в 2015 году
С помощью обнаружения гравитационных волн мы получаем совершенно новый взгляд на Вселенную и виды объектов, которые в ней существуют.
И хотя столкновения черных дыр или нейтронных звезд, а также взрыв сверхновых кажутся чем-то обыденным, существует ряд экзотических теорий и предсказаний о том, какие необычные события могут стать причиной возникновения гравитационных волн.
Какими могут быть гравитационные волны?
Так как у гравитационных волн могут быть разные источники происхождения, их интенсивность и характер также различны Компактные бинарные спиральные гравитационные волны, например, создаются вращающимися парами плотных массивных объектов (нейтронные звезды, черные дыры и др). Сочетание объектов в паре создает уникальный рисунок гравитационных волн, однако механизм генерации этого класса волн одинаков независимо от источника.
То, как долго компактные двойные системы могут испускать гравитационные волны, зависит от массы объектов, составляющих двойную систему, – отмечают эксперты LIGO.
Существуют также непрерывные гравитационные волны, порождаемые вращением массивных одиночных объектов, например, нейтронных звезд. Волны возникают в результате ударов и деформаций на поверхности таких объектов при неизменной скорости вращения.
Считается, что одиночный вращающийся массивный объект, такой как нейтронная звезда, может вызывать непрерывный сигнал гравитационных волн в результате несовершенства сферической формы этой звезды
Так, непрерывные гравитационные волны, исходящие от одного объекта, имеют стабильные частоты и амплитуды, однако обнаружить их удастся через какое-то время, поскольку современные детекторы недостаточно чувствительны для этого.
Наиболее трудными для обнаружения, однако, считаются так называемые стохастические гравитационные волны, исходящие от менее массивных объектов и «окутывающих» нашу планету со всех сторон по всей Вселенной. Считается, что эти слабые гравитационные волны случайным образом смешиваются вместе, создавая «стохастический сигнал» — случайный сигнал, который может быть статистически проанализирован, но не предсказан. Поразительно, но именно этот класс волн недавно удалось обнаружить!
Низкочастотные гравитационные волны
Новое исследование коллаборации NANOGrav стало первым свидетельством существования стохатических или низкочастотных гравитационных волн. Предполагается, что их источником могут быть медленно сближающиеся пары сверхмассивных черных дыр, космологические фазовые переходы и даже космические струны.
Наиболее интригующим фактом нового открытия является способ обнаружения низкочастотных гравитационных волн – зафиксировать их удалось с помощью миллисекундных пульсаров, расположенных по всему Млечному Пути.
29 июня 2023 года ученые обнаружили стохастический фон низкочастотных гравитационных волн – чрезвычайно слабый «шум» пространства-времени
Миллисекундные пульсары – пульсары с периодом вращения в диапазоне от 1 до 10 миллисекунд, обнаруженные в радио-, рентгеновском и гамма-диапазоне волн электромагнитного спектра. Теория происхождения этих объектов полностью не разработана.
В серии статей «Tour-de-force» коллаборация NANOGrav представляет убедительные доказательства стохатического фона низкочастотных гравитационных волн на временных масштабах ~ в 10 миллиардов раз больше, чем способен увидеть LIGO. Это знаменует собой первое прямое обнаружение этого «шума» пространства-времени, а следующие шаги будут еще более захватывающими.
Революция в области космологии
Во-первых, невозможно переоценить, какой это огромный успех – зафиксировать стохатические гравитационные волны. Во-вторых, невозможно не восхищаться проницательностью Альберта Эйнштейна, предсказавшего, что гравитационно связанные системы не являются стабильными вечно: ОТО гласит, что любые две массы, вращающиеся вокруг друг друга, не могут делать этого вечно (тк это противоречит способу искривления пространства-времени), а значит каждая система нестабильна.
Первым подтверждением подобной нестабильности стали миллисекундные пульсары. Напомним, что пульсар – это нейтронная звезда с невероятно сильным магнитным полем и смещенной осью вращения.
 |
|---|
На этой иллюстрации показано, как Земля, сама заключенная в пространстве-времени, видит поступающие сигналы от различных пульсаров с задержкой и искажением на фоне космических гравитационных волн, которые распространяются по всей Вселенной.
Но не каждая нейтронная звезда – это пульсар. Так, большинство наблюдаемых пульсаров являются молодыми и/или вращаются очень медленно. Известно, что с возрастом они ускоряются, поэтому существует популяция очень старых пульсаров (миллисекундных). Эти пульсары являются самыми точными естественными часами во Вселенной и могут отсчитывать время с точностью примерно до ~ 1 микросекунды в течение десятилетий.
В то время как LIGO использует лазерные лучи длиной в несколько километров и чувствителен к гравитационным волнам с периодами в доли секунды, другие команды охотников за гравитационными волнами ориентировались на миллисекундные пульсары со всего Млечного Пути, разделенные тысячами световых лет.
Для окончательного доказательства гравитационно-волновой природы шума требуются новые наблюдения, но уже сейчас ясно, что обнаруженный сигнал с 99.9% вероятностью имеет астрофизическое происхождение.
Наблюдая за ними и изучая временные различия между парами пульсаров, физики могут измерять гравитационные волны с периодами в годы или даже десятилетия. Метод заключается в фиксации небольших изменений во времени прихода к земному наблюдателю всплесков радиоизлучения нейтронных пульсаров. Отклонения при этом составляют миллиардные доли секунды. Этот метод требует многолетних наблюдений при помощи сети радиотелескопов.
Авторы исследования выявили сигнал, связанный с низкочастотными гравитационными волнами, анализируя данные, собранные за 15 лет наблюдений за 67 галактическими пульсарами. Так, после многолетних усилий коллаборация NANOGrav наконец собрала достаточное количество данных от миллисекундных пульсаров, чтобы сделать вывод, о том, что само пространство-время заполнено низкочастотными гравитационными волнами.
Вероятным источником этих волн исследователи считают далекие пары сверхмассивных черных дыр с близкой орбитой. Однако окончательно раскрыть причину существования стохастического фона пространства-времени позволят будущие наблюдения.
Низкочастотные гравитационные волны открыли с помощью миллисекнудных пульсаров
«Обнаружение «хора» низкочастотных гравитационных волн, сделанное NANOGrav, послужит ключом к раскрытию тайн того, как формируются структуры в космосе, — говорит астрофизик Джефф Хазбоун из Университета штата Орегон.
Широкая распространенность явления, обнаруженная исследователями, означает, что сверхмассивные пары черных дыр могут быть широко распространены во Вселенной – их число может исчисляться сотнями тысяч или даже миллионами. Кажется, вперед нас ожидает целая череда крайне увлекательных открытий.