Обнаружение наногерцового гравитационно-волнового фона – новый шаг исследователей

Художественное впечатление от эксперимента European Pulsar Timing Array. Скоординированная сеть европейских радиотелескопов… 

Сотрудничество объединяет команды астрономов вокруг крупнейших европейских радиотелескопов, включая 100-метровый радиотелескоп Эффельсберга из Института радиоастрономии Макса Планка в Бонне, Германия, а также группы, специализирующиеся на анализе данных и моделировании сигналов гравитационных волн.

Хотя об обнаружении еще нельзя утверждать, это представляет собой значительный шаг в усилиях по раскрытию гравитационных волн на очень низких частотах в режиме наногерца. Сигнал кандидата был получен в результате беспрецедентного подробного анализа с использованием двух независимых методологий и имеет большое сходство с результатами, полученными в результате анализа других команд.

European Pulsar Timing Array – это научное сотрудничество, объединяющее команды астрономов, работающих с крупнейшими европейскими радиотелескопами, а также группы, специализирующиеся на анализе данных и моделировании сигналов гравитационных волн. Он опубликовал подробный анализ сигнала-кандидата для так долго искавшегося фона гравитационных волн из-за спиралевидных сверхмассивных двойных черных дыр. Хотя об обнаружении пока нельзя утверждать, это представляет собой еще один важный шаг в усилиях по раскрытию гравитационных волн на очень низких частотах, порядка одной миллиардной доли герца. Фактически, сигнал кандидата возник в результате беспрецедентно подробного анализа и использования двух независимых методологий. Более того, этот сигнал сильно схож с сигналами, полученными в результате анализа других команд.

Результаты стали возможными благодаря данным, собранным за 24 года с помощью пяти радиотелескопов с большой апертурой в Европе (см. Рис. 2). В их число входят 100-метровый радиотелескоп Института радиоастрономии Макса Планка недалеко от Эффельсберга в Германии, 76-метровый телескоп Ловелла в Чешире / Соединенном Королевстве, 94-метровый дециметрический радиотелескоп Нансая во Франции, 64-метровый радиотелескоп Сардинии. Телескоп в Прану Сангуни, Италия, и 16 антенн синтезируемого радиотелескопа Вестерборк в Нидерландах. В режиме наблюдений Большой европейской группы пульсаров телескопы Европейской системы синхронизации пульсаров связаны друг с другом, чтобы создать полностью управляемую 200-метровую антенну, чтобы значительно повысить чувствительность группы к гравитационным волнам.

Радиотелескопы сети EPTA. По часовой стрелке сверху слева: 100-метровый радиотелескоп Эффельсберга (Германия), Нансай…

Лучи излучения от магнитных полюсов пульсаров вращаются вокруг своих осей вращения, и они наблюдаются как импульсы, когда проходят мимо нашего луча зрения, как свет далекого маяка. Матрицы синхронизации пульсаров представляют собой сети очень стабильно вращающихся пульсаров, используемых в качестве детекторов гравитационных волн галактического масштаба. В частности, они чувствительны к гравитационным волнам очень низкой частоты в режиме миллиардных долей герца. Это расширит окно наблюдения за гравитационными волнами с высоких частот (сотни герц), которые в настоящее время наблюдаются наземными детекторами LIGO / Virgo / KAGRA. В то время как эти детекторы исследуют кратковременные столкновения черных дыр звездных масс и нейтронных звезд, системы синхронизации пульсаров могут исследовать гравитационные волны, такие как те, которые излучаются системами медленно спиралевидных сверхмассивных двойных черных дыр, расположенных в центрах галактик. Добавление гравитационных волн, испускаемых космической популяцией этих двойных систем, формирует фон гравитационных волн.

«Мы можем измерить небольшие колебания времени прибытия радиосигнала пульсаров на Землю, вызванные деформацией пространства-времени из-за проходящей мимо очень низкочастотной гравитационной волны. На практике эти деформации проявляются в виде источников очень низкочастотного шума в серии наблюдаемых времен прихода импульсов, шума, который является общим для всех пульсаров системы синхронизации пульсаров.», – объясняет доктор Яньцзюнь Го, исследователь Радиоастрономического института им. Макса Планка в Бонне, соавтор исследования.

Однако амплитуда этого шума невероятно мала (по оценкам, составляет от десятков до пары сотен миллиардных долей секунды), и, в принципе, многие другие эффекты могут передать это любому пульсару в системе синхронизации пульсаров.

Затем для проверки результатов использовались несколько независимых кодов с разными статистическими структурами для смягчения альтернативных источников шума и поиска фона гравитационных волн. Важно отметить, что в анализе для перекрестной согласованности использовались две независимые сквозные процедуры. Кроме того, три независимых метода использовались для учета возможной систематики планетарных параметров Солнечной системы, используемых в моделях, предсказывающих время прихода импульсов, что является основным кандидатом для ложноположительных сигналов гравитационных волн.

Анализ European Pulsar Timing Array с использованием обеих процедур обнаружил явный кандидатный сигнал для фона гравитационной волны, и его спектральные свойства (то есть, как амплитуда наблюдаемого шума изменяется с его частотой) остаются в пределах теоретических ожиданий для шума, относимого к фону гравитационных волн. .

Доктор Николас Кабальеро, исследователь из Института астрономии и астрофизики Кавли в Пекине и со-ведущий автор объясняет: «European Pulsar Timing Array впервые обнаружил признаки этого сигнала в ранее опубликованном наборе данных в 2015 году, но, поскольку результаты имели большую статистическую погрешность, они строго обсуждались только как верхние пределы. Наши новые данные теперь четко подтверждают наличие этого сигнала, что делает его кандидатом на фон гравитационных волн. «.

Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает очень специфическую связь между деформациями пространства-времени, испытываемыми радиосигналами, исходящими от пульсаров, расположенных в разных направлениях в небе. Ученые называют это пространственная корреляция сигнала, или Кривая Хеллингса и Дауна. Его обнаружение однозначно идентифицирует наблюдаемый шум как следствие гравитационного волнового фона. Доктор Сиюан Чен, исследователь из Лаборатории физики и химии окружающей среды и окружающей среды в Орлеане, соавтор исследования, отмечает: «На данный момент статистические погрешности в наших измерениях не позволяют нам выявить наличие пространственной корреляции, ожидаемой для фонового сигнала гравитационных волн. Для дальнейшего подтверждения нам необходимо включить в анализ больше данных о пульсарах, однако текущие результаты очень обнадеживают.”

European Pulsar Timing Array является одним из основателей International Pulsar Timing Array. Поскольку анализ независимых данных, выполненный другими партнерами в International Pulsar Timing Array (например, эксперименты NANOGrav и PPTA), также показал аналогичные общие сигналы, стало жизненно важно применить несколько алгоритмов анализа, чтобы повысить уверенность в возможном будущем обнаружении фон гравитационной волны. Члены Международного массива хронометража Pulsar работают вместе, делая выводы из сравнения своих данных и результатов анализа, чтобы лучше подготовиться к следующим шагам.

Профессор д-р Майкл Крамер, директор Радиоастрономического института им. Макса Планка и член Руководящего комитета Европейской системы хронометража пульсаров, заключает: «Подтверждение низкочастотного фона гравитационных волн в режиме наногерца от популяции сверхмассивных двойных черных дыр – или от другого космического источника – даст нам уникальное представление о космологических моделях, наложив строгие количественные ограничения на процесс сборки галактик. что мы наблюдаем сегодня. Мы наращиваем наши усилия, в настоящее время анализируя еще более крупные и качественные наборы данных, которые позволяют нам проводить больше соответствующих перекрестных проверок, не оставляя места для ошибок.”