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

Гравитационная волна была впервые обнаружена непосредственно в 2015 году после столетия ее предсказания в Общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году. Но непрерывный низкочастотный фон гравитационных волн (GWB), который, как считается, присутствует во Вселенной, прямо пока не обнаружен. Исследователи из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav) недавно сообщили об обнаружении низкочастотного сигнала, который может быть «гравитационно-волновым фоном (GWB)».   

Общая теория относительности, предложенная Эйнштейном в 1916 году, предсказывает, что крупные космические события, такие как сверхновая звезда или слияние черных дыр должен производить гравитационные волны, распространяющиеся по Вселенной. Земля должна быть постоянно наводнена гравитационными волнами со всех сторон, но их нельзя обнаружить, потому что они становятся чрезвычайно слабыми к тому времени, когда достигают Земли. На прямое обнаружение гравитационной ряби ушло около века, когда в 2015 году команде LIGO-Virgo удалось обнаружить гравитационные волны, возникающие в результате слияния двух черных дыр, расположенных на расстоянии 1.3 миллиарда световых лет от Земли. ⁽¹⁾. Это также означало, что обнаруженная рябь была источником информации о космическом событии, которое произошло около 1.3 миллиарда лет назад.  

С момента первого обнаружения в 2015 году большое количество гравитационная рябь были записаны до настоящего времени. Большинство из них произошло из-за слияния двух черных дыр, несколько - из-за столкновения двух нейтронных звезд. ⁽²⁾. Все обнаруженные до сих пор гравитационные волны были эпизодическими, вызванными двойными парами черных дыр или нейтронных звезд, спиралевидно вращающимися и сливающимися или сталкивающимися друг с другом. ⁽³⁾ и были высокочастотными, коротковолновыми (в диапазоне миллисекунд).   

Однако, поскольку существует вероятность наличия большого количества источников гравитационных волн во Вселенной, следовательно, многие гравитационные волны вместе со всей Вселенной могут непрерывно проходить через Землю все время, образуя фон или шум. Это должно быть непрерывное, случайное и низкочастотное малое колебание. Считается, что некоторая его часть могла даже образоваться в результате Большого взрыва. Названный гравитационно-волновым фоном (GWB), он пока не обнаружен. ⁽³⁾.  

Но мы, возможно, находимся на грани прорыва - исследователи из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav) сообщили об обнаружении низкочастотного сигнала, который может быть `` гравитационно-волновым фоном (GWB). ^(4,5,6).  

В отличие от команды LIGO-virgo, которая обнаружила гравитационную волну от отдельных пар черных дыр, команда NANOGrav искала стойкую шумоподобную «комбинированную» гравитационную волну, создаваемую в течение очень длительного периода времени бесчисленными черными дырами во Вселенной. Основное внимание уделялось «очень длинной» гравитационной волне на другом конце «спектра гравитационных волн».

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

Команда NANOGrav выбрала миллисекунды пульсары (MSP), которые вращаются очень быстро с долговременной стабильностью. Из этих генераторов импульсов исходит устойчивый образец света, который должен изменяться гравитационной волной. Идея заключалась в том, чтобы наблюдать и контролировать ансамбль ультрастабильных миллисекундных пульсаров (MSP) на предмет коррелированных изменений во времени прибытия сигналов на Землю, создавая таким образом детектор гравитационных волн «размером с галактику» в нашей собственной галактике. Команда создала массив хронометража пульсаров, изучив 47 таких пульсаров. Обсерватория Аресибо и телескоп Грин-Бэнк были радиотелескопами, использованными для измерений.   

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 были исключительно зависимы от электромагнитных излучений, таких как свет, рентгеновские лучи, радиоволны и т. Д. Будучи совершенно не связанным с электромагнитным излучением, обнаружение гравитационного поля в 2015 году открыло ученым новое окно возможностей для изучения небесных тел и понимания их Вселенная, особенно те небесные явления, которые невидимы для электромагнитных астрономов. Кроме того, в отличие от электромагнитного излучения, гравитационные волны не взаимодействуют с веществом, поэтому путешествуют практически беспрепятственно, неся информацию об их происхождении и источнике без каких-либо искажений.⁽³⁾

Обнаружение гравитационно-волнового фона (GWB) расширит возможности еще больше. Возможно, даже станет возможным обнаружить волны, порожденные Большим взрывом, что поможет нам лучше понять происхождение Вселенной.

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