Космический бит: как пульсары помогут разгадать загадку низкочастотных гравитационных волн
Невидимые рябью, сверхнизкочастотные гравитационные волны, вероятно, пронизывают всю ткань космоса. В 2023 году международные коллаборации по пульсарному таймингу зафиксировали возможный сигнал от этого феномена. Его источником может быть стохастический фон — совокупное эхо множества далеких событий — или же одна близкая к нам двойная система сверхмассивных черных дыр.
Чтобы различить эти сценарии, Хидэки Асада, профессор-теоретик из Университета Хиросаки, и Сюн Ямамото, исследователь из Аспирантуры науки и технологий того же университета, предложили метод, использующий явление биений. Их подход основан на поиске следов интерференции гравитационных волн с почти одинаковой частотой в микроскопических сдвигах времени прихода радиоимпульсов от пульсаров. Их исследование было опубликовано в «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics».
Небо заполнено невероятно точными «космическими часами» — пульсарами. Эти нейтронные звезды испускают радиоимпульсы с такой регулярностью, что могут соперничать с лучшими атомными часами. Земные радиотелескопы следят за их периодичностью не только для изучения самих пульсаров, но и чтобы использовать их как инструмент для зондирования Вселенной.
Если что-то невидимое, почти «космический призрак», искажает пространство-время на пути от пульсара к Земле, регулярность импульсов нарушается. Эти аномалии не случайны: схожие отклонения обнаруживаются у пульсаров в определенных участках неба, словно пространство проходят плавные волны.
«В 2023 году несколько коллабораций, включая североамериканскую NANOGrav и европейские команды, объявили о получении веских доказательств существования наногерцовых гравитационных волн», — отмечает Асада.
Наногерцовый диапазон означает периоды волн от месяцев до лет и длины волн в несколько световых лет. Для изучения таких масштабов ученые полагаются на далекие, стабильные пульсары, удаленные на сотни и тысячи световых лет.
«Сигнал был статистически надежным, но не достиг порога в 5 сигм, который обычно требуют физики элементарных частиц, — продолжает он. — Это «веские доказательства», но еще не подтвержденное открытие. Однако сообщество космологов и астрофизиков уверено, что мы в шаге от первой детекции наногерцовых гравитационных волн».
По словам Асады, как только будущие данные подтвердят обнаружение, следующей задачей станет идентификация источника.
«Есть два основных кандидата на роль источника наногерцовых гравитационных волн, — объясняет он. — Первый — космическая инфляция, которая создала флуктуации пространства-времени в самой ранней Вселенной, впоследствии растянувшиеся до космических масштабов. Второй — двойные системы сверхмассивных черных дыр, которые образуются при слиянии галактик. Оба сценария могут порождать волны в наногерцовом диапазоне».
Сложность в том, что корреляционные паттерны в данных пульсарного тайминга — то, как коррелируют временные задержки от разных пульсаров, — долгое время считались идентичными для обоих случаев.
«В нашей работе мы рассмотрели ситуацию, когда близкая пара сверхмассивных черных дыр создает особенно сильный сигнал, — говорит Асада. — Если у двух таких систем частоты будут очень близки, их волны могут интерферировать и создать биения, подобные акустическим. Эта особенность могла бы, в принципе, позволить отличить их от стохастического фона, оставшегося от инфляции».
Таким образом, Асада и Ямамото используют хорошо знакомый акустический эффект. Когда две волны имеют почти, но не совсем одинаковую частоту, их наложение приводит к периодическому усилению и ослаблению результирующего сигнала.
Применительно к гравитационным волнам, две двойные системы сверхмассивных черных дыр с близкими частотами оставят характерную модуляцию в сигнале пульсарного тайминга. Метод заключается в поиске этой модуляции — «биения» — в корреляционных паттернах пульсаров. Если оно будет найдено, это станет веским аргументом в пользу того, что сигнал исходит не от диффузного фона, а от конкретных, относительно близких двойных систем.
«Я считаю, что как только обнаружение будет подтверждено на уровне 5 сигм, возможно, в течение нескольких лет, следующим шагом будет вопрос: какова природа этих волн? На этом этапе наш метод может оказаться полезным, чтобы определить, порождены ли они инфляцией или же близкими двойными сверхмассивными черными дырами», — подводит итог Асада.
Если метод Асады и Ямамото окажется успешным, он откроет новую эру в гравитационно-волновой астрономии. Ученые смогут не только детектировать фоновый «гул» Вселенной, но и выделять из него отдельные «голоса» — самые массивные и мощные бинарные системы в космосе. Это, в свою очередь, позволит лучше понять процессы слияния галактик и эволюцию сверхмассивных черных дыр в центрах галактик на протяжении миллиардов лет. Охота за космическими битами только начинается, и она может переписать наши представления о самой динамичной и невидимой стороне мироздания.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
