Науковці використали космічну обсерваторію розміром з галактику, щоб знайти можливі натяки на унікальний сигнал від гравітаційних хвиль чи бриж, що пронизують Всесвіт і деформують його просторово-часову структуру.

Нові результати, які нещодавно оприлюднив The Astrophysical Journal Letters, отримано завдяки американсько-канадському проєкту під назвою «Північноамериканська наногерцева обсерваторія гравітаційних хвиль» (North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav).

Протягом понад 13 років науковці NANOGrav досліджували потоки випромінювання від десятків пульсарів, розкиданих по нашій галактиці, щоб спробувати виявити «фонову гравітаційну хвилю» (“gravitational wave background”). Це те, що дослідники називають постійним потоком гравітаційного випромінювання, яке, згідно з теорією, повсякчас омиває Землю. Наукова група ще не досягла цієї цілі, але вона стала ближчою, ніж будь-коли раніше, сказав Джозеф Саймон (Joseph Simon), астрофізик з Університету Колорадо в Боулдері й головний автор нової статті.

«Ми знайшли сильний сигнал у нашому наборі даних», — зауважив Саймон, докторант відділу астрофізики і планетології. «Але ми поки не можемо сказати, що це фон гравітаційних хвиль».

У 2017 році Нобелівську премію з фізики отримали вчені, які за допомогою Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) першими в історії прямо зареєстрували гравітаційні хвилі. Ці хвилі виникли, коли дві чорні діри злилися в одну на відстані приблизно 130 мільйонів світлових років від Землі. Таке злиття спричинило космічний імпульс, який відчула також і Сонячна система.

Цю подію — сильний і нетривалий сигнал — можна порівняти зі звуком, сильним і коротким, що виникає, коли б’ється тарілка. Гравітаційні хвилі, які шукає Саймон та його колеги, навпаки, більше схожі на стійкий гул розмов на переповненій коктейльній вечірці.

Виявлення такого фонового шуму було б важливим науковим досягненням, адже дало б змогу відкрити нове вікно для пізнання Всесвіту. Наприклад, ці хвилі можуть дати вченим нові інструменти для вивчення того, як в центрах багатьох галактик з часом зливаються надмасивні чорні діри.

«Ці спокусливі перші натяки на фон гравітаційних хвиль дають змогу припустити, що надмасивні чорні діри, ймовірно, зливаються, і що ми гойдаємося в морі гравітаційних хвиль, яке виникло й існує у Всесвіті внаслідок злиття надмасивних чорних дір у галактиках», — сказала Джулі Комерфорд (Julie Comerford), доцент відділу астрофізики і планетології Університету Колорадо в Боулдері та член команди NANOGrav.

Саймон та Комерфорд, працюючи над проєктом NANOGrav, є учасниками міжнародної співпраці з пошуку фону гравітаційних хвиль. У них є партнери в Європі та Австралії і всі вони об’єднані в мережу під назвою International Pulsar Timing Array.

Саймон говорить, що, принаймні згідно з теорією, злиття галактик та інші космологічні події спричиняють постійний потік гравітаційних хвиль. Вони незвичні — одна хвиля, сказав Саймон, може проходити повз Землю протягом року чи навіть довше. З цієї причини жодна наявна нині експериментальна установка не може їх виявити прямо. «Інші обсерваторії шукають гравітаційні хвилі, які мають порядок секунд», — підкреслив Саймон. «Ми шукаємо хвилі порядку років або десятиліть».

Ця обставина змусила науковців проявити винахідливість. Команда NANOGrav використовує наземні телескопи не для пошуку гравітаційних хвиль, а для спостереження за пульсарами. Це нейтронні зорі, що є маяками в Галактиці. Вони неймовірно швидко обертаються навколо власної осі, спрямовуючи потоки випромінювання у міжзоряний простір. Коли на шляху такого потоку лежить Земля, то від пульсара реєструють змінний сигнал з постійною періодичністю.

Графіка, що показує випромінювання пульсара, що рухається до Землі в морі гравітаційних хвиль. Фото з сайту www.colorado.edu.

Саймон пояснює, що гравітаційні хвилі змінюють стабільну картину випромінювання, що надходить від пульсарів, розтягуючи або ж стискаючи відстань, яку це випромінювання проходять у просторі. Іншими словами, науковці могли б виявити фон гравітаційних хвиль, реєструючи зміну періодів випромінювання пульсарів, коли воно потрапляє на Землю. «Ці пульсари обертаються приблизно так само швидко, як і ваш кухонний блендер», — сказав Саймон. «І ми розглядаємо відхилення у періодах їхнього обертання в кілька сотень наносекунд».

Щоб знайти такий тонкий сигнал, команда NANOGrav прагне спостерігати упродовж тривалого часу якомога більше пульсарів. Досі група спостерігала 45 пульсарів принаймні протягом трьох років, а деякі й довше десяти років.

Наполеглива праця, здається, починає давати результати. Саймон та його колеги повідомляють, що виявили чіткий сигнал у своїх даних: Якийсь загальний процес, схоже, впливає на випромінювання, що надходить від багатьох пульсарів. Науковець говорить, що вони проглянули дані від усіх пульсарів, які спостерігали, і зрозуміли: «О Боже, тут справді щось є».

Дослідники не можуть точно сказати, що спричиняє цей сигнал. Їм потрібно отримати більше даних від більшої кількості пульсарів, спостерігаючи їх упродовж триваліших періодів часу, щоб визначити, чи насправді до цього спричиняє фон гравітаційних хвиль.

«Виявлення фону гравітаційних хвиль стане величезним кроком, але це буде насправді лише перший крок», — сказав Саймон. «Крок другий — з’ясувати, що спричиняє ці хвилі, та зрозуміти, що вони можуть нам сказати про Всесвіт».

За інф. з сайту www.colorado.edu