Гравитационно-волновой фон (ГВФ): прорыв в прямом обнаружении

Гравитационные волны были впервые непосредственно обнаружены в 2015 году, спустя столетие после их предсказания в рамках общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году. Однако непрерывный низкочастотный фон гравитационных волн (ФГВ), который, как считается, присутствует во всей Вселенной , до сих пор не был обнаружен напрямую. Исследователи из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav) недавно сообщили об обнаружении низкочастотного сигнала, который может быть «фоном гравитационных волн (ФГВ)».

Общая теория относительности, выдвинутая Эйнштейном в 1916 году, предсказывает, что крупные космические события, такие как сверхновые или слияние черных дыр, должны порождать гравитационные волны , распространяющиеся по Вселенной . Земля должна быть постоянно наполнена гравитационными волнами со всех направлений, но они остаются незамеченными, потому что к моменту достижения Земли становятся чрезвычайно слабыми. Потребовалось около столетия, чтобы напрямую обнаружить гравитационные волны, когда в 2015 году команда LIGO-Virgo успешно зафиксировала гравитационные волны, образовавшиеся в результате слияния двух черных дыр, расположенных на расстоянии 1.3 миллиарда световых лет от Земли ⁽¹⁾ . Это также означало, что обнаруженные волны содержали информацию о космическом событии, произошедшем около 1.3 миллиарда лет назад.

С момента первого обнаружения в 2015 году было зарегистрировано значительное количество гравитационных волн . Большинство из них были вызваны слиянием двух черных дыр , некоторые — столкновением двух нейтронных звезд ⁽²⁾ . Все обнаруженные до сих пор гравитационные волны были эпизодическими, вызванными спиралевидным движением и слиянием или столкновением двойных пар черных дыр или нейтронных звезд ⁽³⁾ и имели высокую частоту и короткую длину волны (в миллисекундном диапазоне).

Однако, поскольку существует вероятность большого количества источников гравитационных волн во Вселенной , множество гравитационных волн со всей Вселенной могут постоянно проходить через Землю, образуя фоновый шум. Этот шум должен быть непрерывным, случайным и иметь низкую частоту и небольшие волны. Предполагается, что часть его могла даже возникнуть в результате Большого взрыва. Этот шум, называемый фоновым гравитационным шумом (ГШ), до сих пор не был обнаружен ⁽³⁾.

Но мы, возможно, стоим на пороге прорыва – исследователи из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav) сообщили об обнаружении низкочастотного сигнала, который может быть «фоном гравитационных волн (GWB)» ^(4,5,6).

В отличие от команды LIGO-virgo, которая обнаружила гравитационные волны от отдельных пар черных дыр , команда NANOGrav искала устойчивые, похожие на шум, «комбинированные» гравитационные волны, создаваемые в течение очень длительного периода времени бесчисленными черными дырами во Вселенной . Основное внимание было сосредоточено на гравитационных волнах «очень большой длины волны», находящихся на другом конце «спектра гравитационных волн».

В отличие от света и других электромагнитных излучений, гравитационные волны нельзя наблюдать непосредственно в телескоп.  

Команда NANOGrav выбрала миллисекундные пульсары (МСП), которые вращаются очень быстро и обладают долговременной стабильностью. Эти пульсары излучают устойчивый световой поток, который должен изменяться под воздействием гравитационных волн. Идея заключалась в наблюдении и мониторинге ансамбля сверхстабильных миллисекундных пульсаров (МСП) на предмет коррелированных изменений во времени прихода сигналов к Земле, создавая таким образом детектор гравитационных волн « галактического размера» внутри нашей собственной галактики . Команда создала массив для измерения времени прихода сигналов от пульсаров, изучив 47 таких пульсаров. Для измерений использовались радиотелескопы обсерватории Аресибо и телескоп Грин-Бэнк .

Набор данных, полученных к настоящему времени, включает 47 MSP и более 12.5 лет наблюдений. Исходя из этого, невозможно окончательно доказать прямое обнаружение GWB, хотя обнаруженные низкочастотные сигналы в значительной степени указывают на это. Возможно, следующим шагом будет включение большего количества пульсаров в массив и их изучение в течение более длительного периода времени для повышения чувствительности.  

Для изучения Вселенной ученые полагались исключительно на электромагнитное излучение, такое как свет, рентгеновские лучи, радиоволны и т. д. Обнаружение гравитационных волн в 2015 году, будучи совершенно не связанным с электромагнитным излучением, открыло для ученых новые возможности для изучения небесных тел и понимания Вселенной , особенно тех небесных явлений, которые невидимы для электромагнитных астрономов. Более того, в отличие от электромагнитного излучения, гравитационные волны не взаимодействуют с материей, поэтому распространяются практически беспрепятственно, неся информацию о своем происхождении и источнике без каких-либо искажений. ⁽³⁾

Обнаружение фоновых гравитационных волн (ФГВ) еще больше расширит возможности. Возможно, даже удастся обнаружить волны, порожденные Большим взрывом, что поможет нам лучше понять происхождение Вселенной .

DOI: https://doi.org/10.29198/scieu/2101121

Ссылки:  

1. Кастельвекки Д., Витце А., 2016. Наконец-то нашли гравитационные волны Эйнштейна. Новости природы 11 февраля 2016 г. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2016.19361  

2. Кастельвекки Д., 2020. Что 50 гравитационно-волновых событий говорят о Вселенной. Новости природы опубликованы 30 октября 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03047-0  

3. LIGO 2021. Источники и типы гравитационных волн. Доступно в Интернете по адресу https://www.ligo.caltech.edu/page/gw-sources Доступ 12 января 2021 г. 

4. Сотрудничество «НАНОГрав», 2021. «НАНОГрав» обнаруживает возможные «первые подсказки» низкочастотного фона гравитационных волн. Доступно в Интернете по адресу http://nanograv.org/press/2021/01/11/12-Year-GW-Background.html Доступ 12 января 2021 г. 

5. Сотрудничество NANOGrav 2021. Пресс-брифинг - Поиск гравитационно-волнового фона через 12.5 лет данных NANOGrav. 11 января 2021 г. Доступно на сайте http://nanograv.org/assets/files/slides/AAS_PressBriefing_Jan’21.pdf  

6. Арзуманян З. и др., 2020. Набор данных NANOGrav за 12.5 лет: поиск изотропного стохастического гравитационно-волнового фона. Письма в астрофизическом журнале, том 905, номер 2. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abd401