Астрономы на пороге открытия нового способа обнаружения гравитационных волн

Пульсар-детектор

Ученые используют пульсары в Млечном пути для обнаружения колебаний в гравитационном пространстве, создаваемых далекими сверхмассивными черными дырами.

После двух десятилетий международных усилий, астрономы на пороге обнаружения гравитационных волн от далеких сверхмассивных черных дыр, в миллионы или даже миллиарды раз больше, чем черные дыры, обнаруженные до сих пор. Последние результаты нескольких исследовательских групп показывают, что они близки к обнаружению гравитационных колебаний в пространстве через их влияние на пульсары, быстро вращающиеся потухшие звезды.

Охотники за гравитационными волнами ищут флуктуации в сигналах пульсаров, которые показали бы, как Земля покачивается в море гравитационных волн. Подобно хаотической ряби на воде, эти волны могут быть результатом комбинированного воздействия, возможно, сотен пар черных дыр, каждая из которых находится в центре далекой галактики.

До сих пор, исследователи, в рамках международного сотрудничества Pulsar Timing Array (IPTA), не нашли убедительных доказательств возникновения этих гравитационных волн. Но их последний анализ с использованием объединенных данных, полученных на основе коллаборации телескопов, базирующихся в Северной Америке, Европе и Австралии, показывает форму «красного шума» (шумовой сигнал, который производит броуновское движение), которая обладает функциями, которые ожидали увидеть ученые. Результаты были опубликованы 19 января 2022 года в научном журнале «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» (1).

“Это важная веха”, — говорит Майкл Крамер, астроном из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне, который является ведущим членом европейской команды Pulsar Timing Array. Хотя это еще не обнаружение гравитационных волн, но необходимый шаг на пути к этому, добавляет он. Если бы красный шум не был замечен на этом этапе, космологам, возможно, пришлось бы пересмотреть свои прогнозы относительно обилия сверхмассивных черных дыр и их роли в эволюции Вселенной.

Ксавье Сименс, радиоастроном из Университета штата Орегон в Корваллисе и руководитель североамериканской команды, согласен с тем, что красный шум еще предстоит обнаружить. “Но это обнадеживает», — говорит он.

За пределами LIGO

Первое прямое обнаружение гравитационных волн состоялось в 2015 году Лазерной интерферометрической обсерваторией гравитационных волн (LIGO) в Луизиане и Вашингтоне. Двойные антенны LIGO измерили волны, генерируемые в последние моменты слияния двух черных дыр, каждая из которых имеет массу, в десятки раз превышающую массу Солнца. С тех пор LIGO и его итальянский коллега Virgo зафиксировали десятки таких всплесков. Эти волны достигают пика от десятков до тысяч циклов в секунду, аналогично более низким частотам слышимого звука и могут ощущаться в течение секунд или, в некоторых случаях, минут.

Новый метод, целью которого является обнаружение гравитационных волн с помощью массива из примерно 30 пульсаров, разработан в рамках сотрудничества IPTA и направлен на обнаружение более длительных гравитационных волн, которые колеблются на гораздо более низких частотах, измеряемых циклами в год или даже в десятилетие. Эти сигналы обычно исходят от пар черных дыр, которые вращаются друг вокруг друга в течение длительных периодов времени, а не от слияний. «Это отличается от вспышек LIGO, где событие происходит очень быстро, и это конкретное событие больше не повторится», — говорит радиоастроном Джордж Хоббс из Национального астрономического центра в австралийском Эппинге.

Спектр гравитационных волн

Подобно электромагнитным, гравитационные волны излучаются множеством различных объектов в широком диапазоне частот. Наземные интерферометры, такие как Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и Virgo — детектор гравитационных волн, расположенный в Европейской гравитационной обсерватории, чувствительны только к подмножеству этих частот, что ограничивает их способность «видеть» определенные космические явления. Например, они не будут обнаруживать столкновения сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Но космические интерферометры и другие подходы к улавливанию гравитационных волн могли бы расширить возможности физиков.

Спектр гравитационных волн

Астрофизики считают, что в центре большинства крупных галактик находится сверхмассивная черная дыра. Когда две галактики сливаются, их центральные черные дыры в конечном итоге погружаются в центр новообразованной галактики и начинают вращаться вокруг друг друга. Если они подойдут достаточно близко, то будут излучать интенсивные гравитационные волны.

Новая технология ищет эти гравитационные волны, когда они проносятся через нашу Галактику, растягивая и сжимая пространство, отделяющее Солнечную систему от вращающихся нейтронных звезд, называемых пульсарами. Обсерватории, подобные LIGO, напротив, обнаруживают гравитационные волны, когда они достигают Земли.

У нового подхода есть свои недостатки. В то время как LIGO напрямую измеряет мельчайшие изменения расстояния между двумя зеркалами на расстоянии нескольких километров друг от друга, изменения расстояния между Землей и пульсаром невозможно измерить напрямую, отчасти потому, что между ними распространяются тысячи гребней и впадин гравитационных волн. Земля и пульсар «не находятся на одном гребне или впадине», объясняет Маура Маклафлин, астроном из Университета Западной Вирджинии в Моргантауне. “Чтобы оценить задержку, мы должны принять во внимание влияние гравитационных волн на пульсар и на Землю. Все, что между ними, отменяется”, — говорит Маклафлин.

Такие изменения должны быть обнаружены, потому что, когда локальное пространство растянуто, периодическим сигналам от пульсара потребуется на десятки наносекунд больше или меньше, чтобы достичь Земли, чем в ином другом случае.

Гравитационные шумы

Измерение этих задержек требует десятилетий кропотливого сбора данных, за которыми следуют недели суперкомпьютерной обработки. И это основано на физике нейтронных звезд.

Многие нейтронные звезды — коллапсирующие ядра звезд, масса которых превышает массу Солнца и имеющие диаметр всего 20 километров или около того, испускают излучение от своих магнитных полюсов. Когда нейтронная звезда вращается, луч излучения подобен вращающемуся маяку. Некоторые из этих лучей случайным образом пересекают траекторию Земли в космосе и проявляются в виде излучения, пульсирующего через равные промежутки времени. В конце 1970-х годов некоторые астрономы отметили, что, поскольку они появляются через строго регулярные промежутки времени, некоторые из этих маяков могут служить детекторами гравитационных волн.

Пульсары как детекторы

Основной целью пульсаров, контролируемых учеными в одном массиве временных данных, является обнаружение гравитационных волн, создаваемых в далеких галактиках парами сверхмассивных черных дыр, которые вращаются близко друг к другу. Гравитационные волны распространяются миллиарды лет, чтобы достичь Млечного Пути.

Черные дыры вращаются друг вокруг друг друга

Пульсары в роли гамма-детекторов

Пространство растягивается и сжимается под действием гравитационных волн

Поскольку пространство сжимается и расширяется с амплитудой примерно один раз в год, гравитационные волны влияют на распространение радиосигналов, создаваемых пульсарами.

Пульсары как детекторы гравитационных волн

Но сигналы пульсаров зашумлены и могут быть замедлены или рассеяны облаками межзвездных электронов. Чтобы решить эту проблему, астрономы должны сравнить сигналы от как можно большего числа этих маяков, образуя «временной массив пульсаров».

А начальное положение центра масс солнечной системы, на которое влияет движение планет, должно быть рассчитано с точностью менее 100 метров.

За последнее десятилетие эти оценки значительно улучшились благодаря измерениям положения Юпитера и Сатурна, проведенным миссиями НАСА «Юнона» и «Кассини». Эти изменения успокоили некоторых астрономов: более ранние, менее точные измерения вместе с некоторыми чрезмерно консервативными предположениями заставили некоторых беспокоиться о том, что ожидаемого фона гравитационных волн не было.

Но с каждым годом исследователи накапливали все больше и больше данных и совершенствовали свои методы. В 2020 и 2021 годах в каждой из трех коллабораций (2, 3, 4) начали появляться явные признаки фона гравитационных волн. В то время как обычный “белый” шум включает случайные колебания на всех частотах, красный шум «громче» на более низких частотах. Такая особенность ожидается, когда начнут появляться длинноволновые сигналы — с периодами, сопоставимыми с данными, накопленными сейчас за более чем 20 лет. Последний совместный анализ IPTA, в котором были объединены данные региональных исследований 65-ти пульсаров для повышения их чувствительности к гравитационным волнам, также обнаружил красный шум, хотя в нем не использовались самые последние наборы данных, которые три группы проанализировали отдельно в 2020 и 2021 годах.

Открытие не обязательно указывает на наличие гравитационных волн. “Красный шум также может быть вызван другими причинами”, — предупреждает Крамер, например, ранее не предполагавшейся закономерностью постепенного замедления вращения пульсаров.

Чтобы заявить об открытии, отсутствует критический компонент, — говорит радиоастроном Андреа Поссенти, ведущий член европейской команды астрономической обсерватории Кальяри в Италии. Эти долгосрочные сигналы должны быть соотнесены от одного пульсара к другому.

Хоббс соглашается. «Лично я хотел бы, чтобы было сделано гораздо больше проверок, прежде чем мы начнем праздновать», — говорит он.

Если будет обнаружен фон гравитационных волн, научная награда будет огромной, — говорит Моника Кольпи, астрофизик из Миланского университета Бикокка в Италии. По ее словам, из сигналов исследователи могли бы в конечном итоге получить информацию о том, как черные дыры взаимодействуют с темной материей, звездами и газовыми облаками в своих галактиках.

Всемирная попытка поиска волн потерпела неудачу в декабре 2020 года, когда рухнула 300-метровая обсерватория Аресибо, сыгравшая важную роль в измерении пульсаров. С тех пор североамериканская команда перенаправила часть работ на другое крупное сооружение — 100-метровый телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии. “Мы сбросили данные нескольких наших более слабых пульсаров, и в нашем наборе есть пробелы в несколько месяцев, но в целом мы справляемся с потерей Аресибо так хорошо, как можем”, — говорит Сименс.

В будущих усилиях будут использованы данные, собранные в крупных радиоастрономических обсерваториях Индии и Южной Африки. В конечном итоге ожидается также присоединение китайского сферического радиотелескопа с апертурой 500 метров.

И исследователи говорят, что следующая статья IPTA, ожидаемая в этом или следующем году, может использовать существующие данные для подтверждения открытия гравитационного волнового фона, создаваемого сверхмассивными черными дырами. «Пришло время собрать все воедино и провести анализ», — говорит Крамер.

Используемая литература

  1. International Pulsar Timing Array: поиск изотропного фона гравитационных волн
  2. Arzoumanian, Z. et al. Astrophys. J. Lett. 905, L34 (2020) Article
  3. Goncharov, B. et al. Astrophys. J. Lett 917, L19 (2021) Article
  4. Анализ общего красного шума с 24-летней высокоточной синхронизацией Европейского массива пульсаров: выводы в стохастическом поиске фона гравитационных волн

Читайте также: