Почему исследователи так взволнованы обнаружением гравитационных волн

Предсказанные теорией общей теории относительности Альберта Эйнштейна в 1915 году и впервые обнаруженные в 2015 году, гравитационные волны представляют собой рябь в ткани пространства-времени, возникающую в результате крупных космических событий, таких как слияние черных дыр или нейтронных звезд. В отличие от других типов волн, таких как звуковые или электромагнитные, они являются проявлением кривизны самого пространства-времени и распространяются во всех направлениях, растягивая и сжимая пространство-время на своем пути.

Отметим также, что гравитационные волны, как и электромагнитное излучение, бывают разных частот. Высокочастотные волны имеют более короткую длину волны и являются более энергичными. И наоборот, низкочастотные волны имеют большую длину волны и менее энергичны. Они также имеют большие периоды (время между “пиками” каждой волны).

Открытие, о котором объявила Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) в среду 28 июня, является первым обнаружением низкочастотных гравитационных волн. Исследователи полагают, что они могли быть испущены сотнями тысяч или даже миллионами сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.

Почти незаметный “фоновый шум”

Гравитационные волны, которые могут уловить LIGO и другие наземные детекторы, имеют длину волны в несколько тысяч километров (примерно размер Земли) с периодом от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. Будущий детектор гравитационных волн LISA, который будет базироваться в космосе, будет охватывать длины волн от миллионов до миллиардов километров. Периоды этих гравитационных волн длятся от нескольких секунд до нескольких часов. В данном случае речь идет о гравитационных волнах в масштабе миллиардов километров, способных сохраняться в течение нескольких месяцев, лет или даже десятилетий.

Однако низкочастотные гравитационные волны гораздо более неуловимы. Как бы ни были чувствительны LIGO и Virgo, детекторы, обнаружившие первые всплески гравитационных волн, не способны их обнаружить. Даже LISA не сможет этого сделать.

Чтобы обнаружить их, астрономам нужна гравитационно-волновая антенна размером с целую галактику и невероятно точный способ измерения времени. Именно в этом и заключалась программа NANOGrav. Используя три радиообсерватории, астрономы превратили 68 пульсаров в Млечном Пути в огромную гравитационно-волновую антенну. Но почему именно пульсары?

Миллисекундные пульсары

Пульсары образуются, когда у массивных звезд заканчивается топливо для ядерного синтеза. Остается только ядро, а внешние слои сдуваются при взрыве сверхновой.

Ширина звездного ядра уменьшается настолько, что нейтронные звезды имеют массу, близкую к массе Солнца, втиснутую в тело размером не больше среднего города на Земле. В силу сохранения углового момента это уменьшение диаметра вызывает “ускорение” вращения звездного тела. Некоторые нейтронные звезды способны вращаться сами по себе более 700 раз в секунду.

Коллапс звездных ядер имеет еще одно последствие: когда линии магнитного поля располагаются ближе друг к другу, это увеличивает силу магнитного поля, которое они образуют. Эти поля направляют частицы к полюсам пульсаров, где они вылетают в виде струй с околосветовой скоростью из каждого полюса.

Именно поэтому с Земли пульсары кажутся “мигающими”, как маяки. Это означает, что пульсары можно использовать в качестве отличного устройства для определения времени.

Таким образом, сжатие и растяжение пространства-времени, вызванное перемещением гравитационных волн, обычно должно оказывать ощутимое влияние на синхронизацию пульсаров. Однако, поскольку эффект невелик, сети синхронизации пульсаров должны состоять из множества широко разбросанных объектов, за которыми необходимо наблюдать в течение многих лет. Именно это и сделали исследователи. Благодаря этой огромной сети им удалось обнаружить прохождение низкочастотных гравитационных волн.

Почему это открытие важно?

Причина важности этого открытия заключается в том, что мы обнаружили гравитационные волны, исходящие от источников, которые мы ранее не изучали. Это еще одно доказательство того, что ранняя Вселенная была наполнена двойными сверхмассивными черными дырами.

Мы также знаем, что большинство, если не все, галактики имеют в своем сердце сверхмассивную черную дыру. Однако мы до сих пор не знаем, как эти космические титаны образовались. Один из предполагаемых механизмов – серия слияний между все более крупными двойными парами черных дыр.

Наконец, возможно также, что крошечная часть этих захваченных сигналов гравитационных волн исходит от гравитационных волн, созданных в начале времен во время… Большого взрыва.

Таким образом, эти данные еще раз показывают, что наблюдения гравитационных волн могут открыть совершенно новое окно во Вселенную. В ближайшие годы и десятилетия исследователи, возможно, смогут детально восстановить всю ее историю.