Зарегистрированы низкочастотные гравитационные волны

Рис. 1. Схемы, иллюстрирующие метод пульсарного тайминга для детекции гравитационных волн. Если между наблюдателем и пульсаром проходит гравитационная волна, внося возмущение в геометрию пространства, то частота прихода сигналов от пульсара может немного измениться. Чтобы отделить это изменение от посторонних шумов, требуются высокоточные измерения и большие вычислительные мощности, поэтому несмотря на то, что впервые идея пульсарного тайминга была высказана более 40 лет назад, первые результаты удалось получить только сейчас. Рисунки с сайта en.wikipedia.org и из статьи M. Sazhin, 1978. Opportunities for detecting ultralong gravitational waves

Пять коллабораций радиоастрономов из США, Европы, Австралии, Китая и Индии сообщили о первом — и пока еще предварительном — детектировании гравитационного излучения наногерцовых частот, рассеянного по всему пространству Вселенной. Хотя его природа пока не ясна, а источники не выявлены, это открытие в будущем обещает радикальное расширение возможностей современной мультиканальной астрономии и астрофизики.

Гравитационная астрономия родилась буквально на наших глазах. Начало ей положило детектирование волн тяготения, порожденных столкновением и слиянием двух черных дыр массой приблизительно по 30 солнечных масс каждая, выполненное американской гравитационной обсерваторией LIGO 14 сентября 2015 года (см. новость Гравитационные волны — открыты!, «Элементы», 11.02.2016). С тех пор LIGO и позже приступивший к работе европейский детектор Virgo получили еще более сотни гравитационных откликов таких столкновений, а также выявили как минимум шесть кандидатов на регистрацию столкновений нейтронных звезд (см. Зафиксировано слияние нейтронных звезд!).

Эти обсерватории, как известно, оснащены интерферометрами Майкельсона с лазерными излучателями. Зеркальные отражатели лазерных лучей, применяемые в этих системах, работают в качестве пробных тел, которые смещаются относительно друг друга в результате локальных деформаций пространственной метрики, вызванными прохождением приходящих из космоса волн тяготения. Поскольку амплитуды этих волн чрезвычано малы, они порождают почти неощутимые добавки к метрическому тензору плоского евклидова пространства. Эти добавки и определяют относительные смещения пробных масс согласно крайне несложной формуле \(x=2Lh\), где \(x\) — величина смещения, \(h\) — амплитуда волны, а \(L\) — база системы, то есть расстояние между зеркалами (у LIGO это 4 километра). Чувствительность этого метода неправдоподобно высока: интерферометры каждой из двух обсерваторий комплекса LIGO способны регистрировать смещения порядка 10⁻¹⁷ сантиметра!

Хотя пандемия ковида надолго прервала эти исследования, совсем недавно они возобновились. С 24 мая нынешнего года отлов катаклизмических процессов в дальнем космосе ведет расширенный международный консорциум, образованный обсерваториями LIGO и VIRGO и более новым японским детекторным комплексом KAGRA.

Однако наземные обсерватории с лазерными интерферометрами имеют свои ограничения. Они реагируют на прохождение цугов волн тяготения с периодами колебаний порядка нескольких миллисекунд, вызванных взрывами сверхновых и слияниями нейтронных звезд и черных дыр звездной массы. Еще не существующие лазерные интерферометры космического базирования с их куда более длинными базами (например, запланированная к запуску в 2037 году европейская гравитационная космическая антенна LISA) согласно расчетам, будут чувствительны к волнам с периодами от секунд до часов и смогут сигнализировать о слияниях белых карликов и черных дыр промежуточной массы (от ста тысяч до десяти миллионов масс Солнца). Однако данные астрофизики и космологии заставляют предположить, что космос буквально насыщен гравитационными волнами с неизмеримо большими периодами (или, что то же самое, с большей длиной), которые измеряются годами, десятилетияи и даже миллионами лет. Их наиболее вероятными источниками считаются динамические процессы в двойных сверхмассивных черных дырах, обращающихся вокруг общего центра инерции. Однако у них могут быть и куда более экзотические генераторы — скопления темной материи, космические струны или первичные черные дыры, рожденные вскоре после Большого взрыва. Не исключено, хотя отнюдь не гарантировано, что детектирование сверхдлинных волн тяготения заставит подозревать существование каких-то принципиально новых физических закономерностей, еще неизвестных науке.

Рис. 2. Спектр гравитационных волн. По горизонтальной оси указаны период и соответствующая частота волны. Вверху изображены гравитационно-волновые детекторы, предназначенные для исследования волн с разными характеристиками. Внизу показаны возможные источники этих волн. Рисунок с сайта esa.int

Очевидно, что детектирование волн этого типа — непосильная задача для лазерных интерферометров любого базирования. Однако ее в принципе можно решить куда более традиционными методами — с помощью такой почтенной науки, как радиоастрономия. Более того, по идее это даже не слишком сложная задача. Надо найти побольше космических источников строго периодических процессов, чьи сигналы устойчиво регистрируются земными или околоземными приемниками с как можно более высокой точностью измерения времени приема этих сигналов. Если на пути между таким источником и нашей планетой пройдет цуг гравитационных волн, какие-то элементы сигнала в силу уже упоминавшейся деформации пространства дойдут до Земли с опережением, а какие-то — с замедлением. Эти временные сдвиги можно зарегистрировать и таким образом обнаружить эффект прохождения гравитационной волны.

К счастью, подходящие источники имеются. Это быстровращающиеся радиопульсары, чьи сигналы доходят до Земли с периодичностью порядка тысячных долей секунды (так называемые миллисекундные пульсары). Сама идея о том, что пульсары можно использовать для детекции гравитационных волн, была высказана еще в конце 1970-х годов (M. Sazhin, 1978. Opportunities for detecting ultralong gravitational waves; S. Detweiler, 1979. Pulsar timing measurements and the search for gravitational waves). Современные радиотелескопы способны с очень высокой точностью регистрировать колебания времени приема этих всплесков радиоизлучения. Длительное (лучше всего, многолетнее) накопление информации о таких колебаниях и их компьютерная обработка в принципе дают возможность составить своего рода карту долговременных гравитационных возмущений метрики пространства хотя бы в пределах нашей Галактики. Разумеется, для этого надо различать и исключать множество других причин подобных осцилляций — например, эффекты прохождения радиоволн от пульсаров через межзвездную среду. Вряд ли нужно доказывать, что все эти задачи технически крайне сложны.

Тем не менее, их удалось решить (правда, пока еще не полностью) членам международного консорциума International Pulsar Timing Array (IPTA). Со стороны США в него входит коллаборация NANOGrav, которая использовала накопленные в течение 15 лет данные со стометрового радиотелескопа обсерватории Грин-Бэнк в штате Западная Вирджиния, двадцати семи телескопов комплекса Very Large Array в штате Нью-Мексико и уже закрытого гигантского радиотелескопа обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико. Эти данные фиксировали промеры излучения 67 радиопульсаров, расположенных в пределах 20 000 световых лет от Земли. Ее результаты представлены в пяти статьях в журнале The Astrophysical Journal Letters. Прочие участники консорциума IPTA одновременно опубликовали свои выводы в других журналах. Они оперировали с различными массивами первичной информации; в частности, данными о пульсарах южного небосвода занимались только австралийцы. В сумме число наблюдавшихся пульсаров превысило сотню (см. Pulsar timing array). Однако общие заключения всех пяти команд оказались практически идентичны.

Рис. 3. Пульсары, наблюдения за которыми использованы в работе коллаборации NANOGrav. Разными цветами обозначены телескопы и диапазоны, в которых велись наблюдения. AO — обсерватория Аресибо, GBT — обсерватория Грин-Бэнк, VLA — комплекс Very Large Array. Рисунок из статьи G. Agazie et al., 2023. The NANOGrav 15 yr Data Set: Observations and Timing of 68 Millisecond Pulsars

И к чему же они пришли? Члены коллаборации NANOGrav утверждают, что им удалось измерить вариации во времени приема сигналов с фантастически малыми ошибками — порядка всего лишь 10⁻¹⁵! И даже такая точность не позволила им однозначно провозгласить открытие космических гравитационных полей. Дело в том, что они могут гарантировать уровень достоверности 3,5–4 сигмы — вместо пяти, которых требуют принятые критерии надежности утверждений в физических науках. Хотя при таком раскладе вероятность ошибки не превышает сотой доли процента, ее все же приходится принимать во внимание.

Как я уже отметил, самым вероятными источниками обнаруженных гравитационных полей (конечно, если это действительно они, а не что-то иное) считаются парные сверхмассивные черные дыры, которые образуются при слиянии галактик. Начальные периоды обращения таких дыр вокруг общего центра инерции могут составлять миллионы или сотни тысяч лет. Однако они постепенно сокращаются — как из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, так и вследствие взаимодействия с окружающим галактическим веществом. Когда эти периоды доходят до десятков лет, их след уже можно обнаружить в излучении миллисекундных пульсаров. Можно надеяться, что в данном случае это и случилось.

Но здесь есть одна тонкость — или, если угодно, проблема. Выполненные еще в 1980-е годы вычисления показывают, что парные сверхмассивные черные дыры могут стабильно обращаться друг вокруг друга на орбитах диаметром порядка нескольких световых лет больше времени, нежели существует наша Вселенная. Конечно, они всё это время продолжают излучать волны тяготения, но со слишком длинными периодами, заведомо недоступными для наших наблюдений. Только что опубликованные результаты консорциума IPTA могут означать, что такие дыры куда сильнее тормозятся трением с межзвездной средой или иными физическими причинами, нежели считалось раньше. Если эта гипотеза подтвердится, придется признать, что сверхмассивные черные дыры сталкиваются и сливаются намного чаще, чем ранее полагали астрономы. Это, в свою очередь, увеличивает оценку плотности близких сверхмассивных дыр в космическом пространстве и создает надежду на их грядущее наблюдение консорциумом IPTA или его преемниками. Так что, перефразируя классика, гибрид гравитационной астрономии и радиоастрономии скорее всего принесет еще множество интереснейших сюрпризов.

Источники:
1) The NANOGrav Collaboration. Focus on NANOGrav's 15 yr Data Set and the Gravitational Wave Background // The Astrophysical Journal Letters. 2023. — обобщающая статья со ссылками на остальные статьи коллаборации NANOGrav.
2) Daniel J. Reardon et al. Search for an Isotropic Gravitational-wave Background with the Parkes Pulsar Timing Array // The Astrophysical Journal Letters. 2023. DOI: 10.3847/2041-8213/acdd02.
3) J. Antoniadis et al. The second data release from the European Pulsar Timing Array III. Search for gravitational wave signals // препринт arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE].
4) Heng Xu et al. Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I // Research in Astronomy and Astrophysics. 2023. DOI: 10.1088/1674-4527/acdfa5.
5) Видеозапись пресс-конференции, на которой было объявлено об обсуждаемых результатах.

Алексей Левин