Катрина Миллер – научный репортер, недавно получила степень доктора философии в области физики частиц в Чикагском университете.
Статья опубликована в газете The New York Times 29 июня 2023 года, раздел А, страница 5 нью-йоркского издания с заголовком: Пары черных дыр гудят по всей Вселенной.
Радиотелескопы по всему миру уловили гул, распространяющийся по космосу, который, скорее всего, является следствием слияния сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.
В среду вечером международный консорциум исследовательских сообществ обнаружил убедительные доказательства существования низкочастотного гула гравитационных волн, распространяющегося по Вселенной.
Ученые сильно подозревают, что эти гравитационные волны являются коллективным эхом пар сверхмассивных черных дыр – тысяч из них когда они медленно сливаются и создают пульсации в пространстве-времени. Некоторые из этих СЧД массивные, как миллиард солнц сидят в сердцах древних галактик на расстоянии до 10 миллиардов световых лет.
«Мне нравится думать об этом как о хоре или оркестре», – сказал Ксавье Сименс, физик из Университета штата Орегон, который является членом Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav), возглавляющей эту работу. Каждая пара сверхмассивных черных дыр генерирует свою ноту, сказал доктор Сименс, «и то, что мы получаем, является суммой всех этих сигналов одновременно». Эти результаты были весьма ожидаемы, поскольку они были получены более чем через 15 лет после начала сбора данных NANOGrav. Ученые заявили, что пока результаты соответствуют общей теории относительности Альберта Эйнштейна, которая описывает, как материя и энергия искривляют пространство-время, создавая то, что мы называем гравитацией. По мере накопления данных этот космический гул может помочь исследователям понять, как Вселенная приобрела свою нынешнюю структуру, и, возможно, обнаружить экзотические типы материи, которые могли существовать вскоре после Большого взрыва 13,7 миллиардов лет назад.
«Гравитационно-волновой фон всегда должен был быть самой громкой и очевидной вещью для поиска, – говорит Кьяра Мингарелли, астрофизик из Йельского университета и член NANOGrav, который финансируется Национальным научным фондом. – Это действительно только начало совершенно нового способа наблюдения за Вселенной».
Гравитационные волны создаются любым вращающимся объектом, например, вращающимися остатками звездных тел, орбитальными черными дырами или даже двумя людьми, делающими «до-си-до», – сказала доктор Мингарелли. Но в отличие от других типов волн, эти пульсации растягивают и сжимают саму ткань пространства-времени, искажая расстояния между любыми небесными объектами, мимо которых они проходят.
«Это звучит очень фантастично, – сказала доктор Мингарелли. – Но это реально».
Гравитационные волны были впервые обнаружены в 2015 году в виде данных Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией, или LIGO; это открытие подтвердило общую теорию относительности Эйнштейна как точную модель Вселенной и принесло основателям проекта Нобелевскую премию по физике в 2017 году. Но сигналы улавливаемые LIGO в основном находились в диапазоне частот в несколько сотен герц и были созданы отдельными парами черных дыр или нейтронных звезд, которые были в 10-100 раз массивнее нашего Солнца.
В отличие от этого, исследователи, участвовавшие в данной работе, искали коллективный гул на гораздо более низких частотах – одна миллиардная часть одного герца, намного ниже слышимого диапазона – исходящий отовсюду одновременно.
На самых низких частотах этот гул настолько громкий, «что он может исходить от сотен тысяч или, возможно, миллиона перекрывающихся сигналов из истории космического слияния пар сверхмассивных черных дыр», – сказала доктор Мингарелли.
Сигнал был обнаружен при изучении поведения быстро вращающихся звезд, называемых пульсарами, с помощью метода, который в 1993 году принес двум ученым Нобелевскую премию по физике за косвенное измерение эффектов гравитационных волн.
Команда NANOGrav одновременно опубликовала четыре исследования в The Astrophysical Journal Letters, а также две дополнительные работы на сервере препринтов arXiv.org, подробно описав сбор и анализ данных и различные интерпретации результата.
Если сигнал действительно исходит от пар сверхмассивных черных дыр, изучение гравитационно-волнового фона прольет свет на эволюционную историю этих систем и окружающих их галактик. Но гравитационно-волновой фон может исходить и от чего-то другого, например, от гипотетических трещин в пространстве-времени, известных как космические струны.
Или же он может быть реликтом Большого взрыва, подобно космическому микроволновому фону, который привел к фундаментальным открытиям в структуре Вселенной с точностью до 400 000 лет от ее начала. По словам доктора Мингарелли, гравитационно-волновой фон был бы еще лучшим первобытным датчиком, потому что он излучался почти мгновенно.
Чтобы обнаружить гравитационно-волновой фон, исследователи воспользовались похожей на маяк природой пульсаров, разбросанных по Млечному Пути.
«Наш детектор – это не то, что вы можете построить в лаборатории или даже запустить в космос, – сказал Тэнкфул Кромарти, астроном из Корнельского университета, во время пресс-конференции в четверг. – Это ближе к размерам галактики».
Пульсары действуют как космические часы, испуская лучи радиоволн, которые можно периодически измерять на Земле. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что гравитационные волны, проходя мимо пульсаров, должны увеличивать и уменьшать расстояние между этими объектами и Землей, изменяя время, необходимое для того, чтобы радиосигналы дошли до наблюдателей. И если гравитационно-волновой фон действительно присутствует повсюду, то пульсары во всей Вселенной должны быть затронуты согласованным образом.
Вместо того чтобы создавать специальный инструмент, команда NANOGrav воспользовалась существующими радиотелескопами по всему миру: Very Large Array в Нью-Мексико, телескопом Грин-Бэнк в Западной Вирджинии и обсерваторией Аресибо в Пуэрто-Рико (до ее рокового краха три года назад).
В 2020 году, после более чем через 12 лет сбора данных, команда NANOGrav представила результаты мониторинга времени 45 пульсаров. Уже тогда, по словам доктора Сименса, исследователи увидели дразнящие намеки на гравитационно-волновой фон, но им нужно было отследить больше пульсаров в течение более длительного времени, чтобы подтвердить, что данные от них действительно коррелируют, и заявить об открытии. Поэтому команда NANOGrav обратилась к коллегам из International Pulsar Timing Array – зонтичной организации, в которую входят сообщества ученых из Индии, Европы, Китая и Австралии – и скоординировала усилия по совместному обнаружению гравитационно-волнового фона.
Перенесемся в среду: каждое сообщество сейчас публикует результаты независимо собранных данных, и все они подтверждают существование гравитационно-волнового фона. Группа NANOGrav располагает самым большим набором данных: за 15 лет были проведены измерения 67 пульсаров, каждый из которых наблюдался не менее трех лет.
Уровень достоверности результатов составляет от 3,5 до 4 сигм, что чуть меньше стандарта в 5 сигм, которого обычно ожидают физики, чтобы заявить об открытии с бесспорными доказательствами («дымящийся пистолет»). Это означает, что вероятность случайной встречи с подобным результатом составляет примерно 1 на 1 000 лет, сказала доктор Мингарелли. «Для меня это достаточно хорошо, но другие люди хотят получить результат раз в миллион лет, – сказала она. – В конце концов, мы этого добьемся».
Марсель Соарес-Сантос, астрофизик из Мичиганского университета, не участвовавшая в работе, признала, что, хотя это и ранние данные, результаты поражают воображение. «Это то, чего сообщество ожидало уже давно», – сказала она, добавив, что независимые измерения других сообществ по определению колебаний пульсаров подтвердили полученные результаты.
Тем не менее, сказала доктор Соарес-Сантос, еще слишком рано говорить о том, какое влияние гравитационно-волновой фон может оказать на будущие исследования. Если сигнал действительно исходит от медленной, внутренней спирали сверхмассивных черных дыр, как считают многие сотрудники NANOGrav, это расширит представления ученых о том, как ранние галактики сливались, образуя все более крупные системы звезд и пыли, которые в конечном итоге оседали в сложные структуры, наблюдаемые сегодня.
Но если пульсации возникли в результате Большого взрыва, они могут дать представление о расширении космоса или природе темной материи – невидимого клея, который, по мнению ученых, удерживает Вселенную вместе – и, возможно, даже открыть новые частицы или силы, которые когда-то существовали. (Эксперты отметили, что гравитационно-волновой фон также может происходить из нескольких источников, и в этом случае задача будет заключаться в том, чтобы разделить, что откуда берется).
Команда NANOGrav уже работает над анализом всех данных, полученных от гравитационно-волновых сообществ со всего мира, что составляет около 25 лет измерений 115 пульсаров. Результаты будут представлены через год или около того, сказал доктор Сименс, добавив, что он ожидает, что они превысят уровень открытия в 5 сигм.
Но для подтверждения источника гравитационно-волнового фона может потребоваться еще несколько лет. Исследователи уже начали использовать свои данные для составления карт Вселенной и поиска интенсивных, близлежащих областей гравитационно-волновых сигналов, указывающих на отдельные бинарные сверхмассивные черные дыры. Именно здесь начинается самое интересное, говорит доктор Мингарелли, которая с нетерпением ждет анализа этих карт и поиска еще более экзотических явлений, таких как галактические джеты, космические струны или червоточины.
«Это открытие может привести к чему-то действительно революционному, – сказала д-р Соарес-Сантос, сравнив его с открытием космического микроволнового фона в 1960-х годах, которое с тех пор изменило знания физиков о ранней Вселенной. – Мы пока не знаем, какое влияние оно окажет, но это определенно будет новая глава в книге о гравитационных волнах. И похоже, что мы наблюдаем за написанием этой книги».
Перевод: Александр Тарлаковский (блог τ Ceti)
Оригинал: The Cosmos Is Thrumming With Gravitational Waves, Astronomers Find
Дополнительная информация:
Николай Горькавый – Вселенная, пульсирующая в чёрной дыре
Раздел Реликтовое гравитационное излучение из огненного сердца Вселенной
Гравитационное излучение, возникающее при коллапсе Вселенной, должно переходить из цикла в цикл, увеличивая свою суммарную энергию и создавая фон реликтовых гравитационных волн. Вокруг нас должна существовать не только смесь чёрных дыр из сотен космологических циклов, но и фон гравитационных волн разных возрастов. Как обнаружить эти волны?
Миллисекундные пульсары, вращающиеся со скоростью 100—700 оборотов в секунду, являются точными «космическими часами» и, как показал московский астрофизик Михаил Сажин ещё в 1978 году, могут использоваться для поиска сверхдлинных гравитационных волн, которые искривляют пространство и время, тем самым искажают частоту пульсарных радиосигналов, проходя между пульсарами и Землёй. Консорциум NANOGrav из пяти крупных радиотелескопов в сентябре 2020 года объявил об открытии наногерцовых гравитационных волн с периодом колебаний от 2 до 10 лет. В 2021 году этот результат подтвердили независимые данные австралийского радиотелескопа.
Для объяснения фона наногерцовых гравитационных волн был выдвинут ряд гипотез, например о гравитационном излучении от ближайших двойных сверхмассивных дыр. А квантовые космологи снова вспомнили о флуктуациях квантовых полей, лопающихся гигантских космических струнах и разрушениях стенок гипотетических фазовых переходов.
С точки зрения циклической космологии, обнаружение фона гравитационных волн наногерцового диапазона подтверждает предсказание о мощном излучении, возникающем из-за массового слияния чёрных дыр при коллапсе Вселенной. Наногерцовые волны являются реликтовым гравитационным излучением, аналогичным реликтовому электромагнитному излучению. Если последнее характеризует Вселенную возрастом в 380 тысяч лет, то реликтовые гравитационные волны — это окно в самое сердце Большого взрыва и даже в прошлые циклы Вселенной.
Чем меньше масса и размер сливающихся дыр, тем выше частота их финального вращения вокруг центра тяжести и частота возникающих гравитационных волн. Чёрные дыры, которые рождаются при взрыве сверхновых звёзд, имеют массы более 4—5 масс Солнца. Отсутствие меньших чёрных дыр — хорошо установленный наблюдательный факт, который подтверждается данными детектора LIGO. Можно взять популяцию чёрных дыр, наблюдаемых LIGO, и на её основе построить простую модель генерации реликтовых гравитационных волн, из которой вытекает конкретное предсказание: амплитуда гравитационных волн будет плавно меняться на периодах от 10 лет до 1 года, а затем она резко уменьшится для волн с периодом меньше года — из-за малого количества астрофизических чёрных дыр с массами менее 4 масс Солнца. Все альтернативные гипотезы приводят к плавному, без указанного уменьшения, спектру гравитационных волн в этой области. Если такой дефицит гравитационных волн с периодом меньше года будет подтверждён, это станет неоспоримым доказательством пульсирующей Вселенной.
Первое доказательство существования стохастического гравитационно-волнового фона