Відразу чотири міжнародні команди астрономів опублікували результати спостережень пульсарів, які показали наявність гравітаційних хвиль від подвійних систем надмасивних чорних дір. Можливість такого спостереження була теоретично передбачена, але раніше такі довгі — кілька світлових років — хвилі ніколи не спостерігалися.
Після історичного першого виявлення “брижі” простору-часу в 2015 році за допомогою наземних детекторів, дослідники тепер заново відкривають хвилі Альберта Ейнштейна за допомогою зовсім іншої техніки. Новий підхід дозволяє відстежувати зміни відстаней між Землею і пульсарами в нашій Галактиці, і побачити як простір розтягується і стискається в результаті проходження гравітаційних хвиль.
Якщо у відкритті 2015 року були зафіксовані хвилі, що виникають внаслідок зіткнення та злиття двох чорних дір зоряного розміру, то найімовірнішим джерелом нового відкриття є чистий сигнал від багатьох пар набагато більших чорних дір — у мільйони чи навіть мільярди разів більше маси Сонця. Ці подвійні чорні діри повільно обертаються одна навколо одної в центрах далеких галактик. Створювані ними гравітаційні хвилі в тисячі разів довше тих, що були виявлені в 2015 році, — їх довжина хвилі досягає десятків світлових років. На відміну від них, гравітаційні хвилі, виявлені в 2015 році за допомогою методу, званого інтерферометрією, мають довжину – десятки або сотні кілометрів.
“Ми можемо сказати, що Земля погойдується через гравітаційні хвилі, які поширюються по нашій Галактиці», — розповідає журналу Nature Скотт Ренсом, астрофізик з Національної обсерваторії радіоастрономії США в Шарлоттсвіллі, і старший член NANOGrav, однієї з чотирьох колаборацій, яка оголосила про свої результати 29 червня. (Три роботи опубліковані в журналі The Astrophysical Journal Letters: 1, 2, 3, одна ще опублікована як препринт). Поки жодна з колаборацій не заявляла про “відкриття” нових гравітаційних хвиль. Астрономи висловлюються обережніше.
Ренсом каже:“Ми вважаємо, що ми знайшли вагомі підтвердження гравітаційних хвиль, але ще немає статистичної впевненості у достовірному відкритті”. Тепер дослідники об’єднають свої дані, щоб побачити, чи зможуть вони разом підтвердити результати.
Спіймати хвилю
Три колаборації збирали дані про пульсари десятиліттями і повідомляють про схожі результати: північноамериканська група NANOGrav, європейська система синхронізації пульсарів за участю астрономів з Індії і система синхронізації пульсарів Parkes в Австралії. Четверта колаборація, Китайський масив синхронізації пульсарів, стверджує, що виявила сигнал всього за три роки, завдяки винятковій чутливості телескопа FAST, який почав роботу в 2016 році в регіоні Гуйчжоу.
Кейя Лі, радіоастроном з Пекінського університету в Пекіні, який очолював дослідження FAST, каже, що результат його не здивував: «Мій розрахунок гравітаційно-хвильової чутливості спостереження FAST був зроблений ще в 2009 році, коли я був аспірантом».
Усі групи використовують потужні радіотелескопи для спостереження за «мілісекундними» пульсарами. Це неймовірно щільні нейтронні зірки, які є джерелами потужного радіовипромінювання. Кожен раз, коли пульсар здійснює оберт навколо своєї осі, його радіопромінь проходить в зоні прямої видимості землі і знову виходить з цієї зони. З Землі це спостерігається як імпульси з регулярними інтервалами. Мілісекундні пульсари обертаються дуже швидко – до декількох сотень разів на секунду.
“Ми можемо використовувати їх як годинник”, — каже Ендрю Зік, радіоастроном Австралійського національного телескопа в Сіднеї. Невеликі зміни в часі приходу сигналів від пульсара можуть означати, що простір між зіркою і Землею змінилося в результаті проходження гравітаційної хвилі.
Зміна інтервалів часу між приходами сигналів тільки від одиничного пульсара недостатньо надійно для виявлення гравітаційних хвиль. Але кожна колаборація відстежує кілька десятків пульсарів. В результаті вони виявили сигнатуру під назвою крива Хеллінгса-Даунса, яка передбачає, як за наявності гравітаційних хвиль, що надходять з усіх можливих напрямків, змінюється час надходження сигналів від пульсарів залежно від їх відстані на небі. Крива була теоретично передбачена ще до експериментального відкриття гравітаційних хвиль. І в експериментальних даних її ніхто ніколи не бачив.
NANOGrav першим виявив сигнал, схожий на передбачувану криву і повідомив про нього колегам в 2020 році. Але команда вирішила почекати, поки інші співпраці побачать подібну картину, перш ніж публікувати результати.
“Побачити, як крива Хеллінгса-Даунса вперше проявляється в реальності, – це був прекрасний момент”, – говорить К’яра Мінгареллі, астрофізик гравітаційних хвиль з Єльського університету в Нью-Хейвені і член NANOGrav.
Довга гра
Ейнштейн вперше передбачив гравітаційні хвилі в 1916 році. 14 вересня 2015 року детектори-близнюки лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) в штатах Луїзіана і Вашингтон підтвердили його передбачення, зафіксувавши сплеск хвиль від злиття двох чорних дір. Відтоді фізики зафіксували гравітаційні хвилі від десятків подібних подій.
Якщо гравітаційний сигнал, виявлений співпрацею NANOGrav та колегами-астрономами, справді є результатом гравітаційних хвиль тисяч пар надмасивних чорних дір у Всесвіті, це буде першим прямим доказом того, що такі гігантські подвійні чорні діри існують, і що деякі з них мають досить тісні орбіти, щоб виробляти вимірювані гравітаційні хвилі.
Моніка Колпі, яка вивчає теорію гравітаційних хвиль і чорних дір в університеті Мілан-Бікокка в Італії каже, що головним наслідком цього відкриття є те, що кожна з цих пар в кінцевому підсумку зіллється, створюючи сплески, схожі на ті, які спостерігав LIGO, але масштаб сплесків буде набагато більшим. Такі сплески можна виявити за допомогою лазерної інтерферометричної космічної антени (LISA) — місії Європейського космічного агентства, яка планується запустити в 2030-х роках.
Дослідники сподіваються, що в кінцевому підсумку вони вийдуть за межі, описані кривою Хеллінгса-Даунса (вона дає тільки саму загальну картину), і побачать сигнали окремих подвійних надмасивних чорних дір, розташованих досить близько до нашої Галактики, і тому досить гучних, з точки зору гравітаційних хвиль, щоб виділитися з фонового сигналу.
Але поки не можна виключати й інші джерела цих хвиль, включаючи можливий залишковий гравітаційний шум після Великого вибуху.