Раскрытие секретов сверхнизкочастотных гравитационных волн

Впечатление художника о сталкивающихся пузырьках, которые могут создавать чрезвычайно низкочастотные гравитационные волны во время космологического фазового перехода в ранней Вселенной. Предоставлено: Риккардо Бушиччио.

Гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени Эйнштейна — которые пересекают вселенную со скоростью света, имеют все виды длин волн или частот. Ученым еще не удалось обнаружить гравитационные волны на чрезвычайно низких «наногерцовых» частотах, но ожидается, что в ближайшее время исследуются новые подходы, которые подтвердят первые низкочастотные сигналы.

В основном методе используются радиотелескопы для обнаружения гравитационных волн с помощью пульсаров — экзотических мертвых звезд, которые излучают импульсы радиоволн с необычайной регулярностью. Например, исследователи из коллаборации NANOGrav используют пульсары для точного определения периодов вращения сети или массива миллисекундных пульсаров — наилучшее приближение астрономов к сети идеальных часов — разбросанных по всей нашей галактике. Их можно использовать для измерения частичных изменений, вызванных гравитационными волнами, когда они распространяются по Вселенной.

Однако вопрос о том, что производит эти сигналы, еще не решен. Ученые из Института гравитационно-волновой астрономии Университета Бирмингема утверждают, что будет чрезвычайно сложно прийти к ответу, используя только данные с массивов хронометража пульсаров (PTA).

Вместо этого в письме опубликованном в Природа Астрономия, они предполагают, что объединение этих новых данных с наблюдениями, сделанными другими проектами, такими как миссия Gaia Европейского космического агентства, поможет распутать и интерпретировать различные сигналы, все еще сохраняющиеся с самых ранних периодов существования нашей Вселенной.

Основная теория сверхнизкочастотных гравитационных волн заключается в том, что они вызваны населением сверхмассивных черных дыр в центре сливающихся галактик. Когда галактики сливаются, их центральные черные дыры объединяются в пары, образуя двойные системы и генерируя гравитационные волны. В этом случае обнаружение гравитационных волн с помощью PTA предложит новые захватывающие способы изучения астрофизики сборки и роста галактик.

Но есть и другие возможности. Гравитационные волны наногерцевого диапазона могут рассказать историю нашей молодой Вселенной задолго до образования галактик и черных дыр. Фактически, было высказано предположение, что сигналы гравитационных волн крайне низкой частоты могут вместо этого генерироваться вскоре после Большого взрыва другими процессами; например, если Вселенная претерпела то, что физики называют фазовым переходом при правильной температуре.

Ведущий автор, доктор Кристофер Мур, сказал: «Первые предварительные намеки на сигнал гравитационной волны с использованием временных массивов пульсаров, возможно, недавно были обнаружены NANOGrav, и мы ожидаем, что следующие несколько лет станут золотым веком для этого типа науки. Разнообразие объяснений этих сигналов увлекательно, но это еще и лабиринт. Нам нужен способ отличить различные возможные источники друг от друга. В настоящее время это чрезвычайно сложно сделать с помощью одних только данных временной матрицы пульсаров ».

Соавтор, профессор Альберто Веккьо, сказал: «Матрицы синхронизации пульсаров могут предложить беспрецедентное понимание древних космологических процессов. Разработка сложных методов интерпретации этих открытий будет означать, что мы действительно сможем начать понимать, как наша Вселенная была сформирована и сформировалась ».