Мы возвращаемся к историям из журнала Cosmos Magazine в печатном формате. В марте 2024 года астрофизик Сара Уэбб сообщает, что телескоп галактического масштаба показал: вселенную наполняет низкий, постоянный гул гравитационных волн.
В июне 2023 года интернет взорвался от новостей о том, что физики нашли что-то революционное. Воображение разыгралось: услышали ли мы пришельцев? Нарушена ли общая теория относительности? Открыто ли скрытое измерение во вселенной? Когда завеса приоткрылась, правда оказалась не хуже домыслов: физики нашли доказательства существования фонового гравитационного излучения.
Что такое гравитационные волны?
Это всё началось, конечно, с Альберта Эйнштейна. В 1915 году Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, описывая, что сила гравитации, которую мы измеряем, обусловлена искривлением пространства и времени.
Эйнштейн был первым, кто предположил, что пространство и время переплетены и могут описываться как действующая подобно ткани. Представьте себе батут. Если вы положите в середину боулинговый мяч, ткань растянется и провиснет вниз из-за массы боулингового мяча. Теперь замените боулинговый мяч на мрамор. Он создаст гораздо меньшее углубление на батуте. Эти углубления представляют собой гравитационные ямы в пространстве и времени. Всё, что имеет массу — включая вас и меня — создаёт эти гравитационные ямы.
Эйнштейн понял, что гравитация не так проста, как думал Ньютон. На самом деле это искажение ткани пространства-времени, вызванное массой и энергией. Чем массивнее объект, тем больше изгиб пространства-времени, тем сильнее гравитация.
Гравитационные волны 101
Почти ровно сто лет спустя, в 2015 году, мы нашли их — используя четырёхкилометровые лазеры обсерватории гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). LIGO использует приборы, называемые интерферометрами Майкельсона, которые разделяют луч света, отправляют два луча на одинаковое расстояние в перпендикулярных направлениях, затем отражают лучи обратно, чтобы они снова соединились. Если ничего в системе не меняется, возникают одинаковые световые узоры. Однако если один из детекторов слегка растянут или сжат — скажем, когда гравитационная волна проходит через Землю — световой узор меняется.
Первое обнаружение LIGO было связано с гравитационными волнами, образовавшимися, когда две чёрные дыры слились на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Когда волны прокатились по пространству-времени от этого энергетического события, Земля была слегка растянута — менее чем на тысячу раз меньше, чем протон — но, что удивительно, интерферометры LIGO это обнаружили.
Гравитационные волны 201
За десять лет мы обнаружили более 85 других слияний массивных объектов. Но все они — отдельные события: одиночные мощные взрывы, эхом разносящиеся по вселенной, в основном от столкновения чёрных дыр. Эти события создают то, что называется высокочастотными гравитационными волнами, короткими и лёгкими, которые легко (ну, относительно) обнаружить. Однако астрономы десятилетиями предполагали, что должны существовать низкочастотные гравитационные волны, скрывающиеся на заднем плане вселенной.
Чтобы обнаружить фон гравитационных волн в совершенно другом диапазоне частот, LIGO не подошёл бы. Нам нужен был другой подход: эпический, астрономический эксперимент.
Вместо использования лазеров учёные обратились к космическим маякам. Когда массивные звёзды умирают, они обычно образуют либо чёрную дыру, либо нейтронную звезду. Нейтронные звёзды — это невероятно плотные, быстро вращающиеся и сильно намагниченные объекты. Большинство из них имеют размер всего 20 км, но весят не меньше массы нашего Солнца. Эти маленькие объекты трудно найти; мы не можем увидеть их в оптическом свете, но можем обнаружить в радиодиапазоне, потому что, когда они вращаются, они излучают луч электромагнитного излучения от своих полюсов, в основном в радиоволнах.
Пульсары: ключ к разгадке
Первый нейтронный звёзд был обнаружен в 1967 году Джоселин Белл Бернелл, кандидатом наук в Кембриджском университете в Великобритании, которая анализировала данные с недавно построенного Кембриджского радиотелескопа, когда заметила своеобразные импульсы из одного и того же участка неба, день за днём. Белл Бернелл обнаружила первый пульсар.
После 57 лет мы обнаружили более 3 000 этих космических маяков и используем их для картографирования пространства и времени в нашей галактике. Пульсары невероятно предсказуемы, и поэтому астрономы используют их в качестве инструментов для точного определения времени.
Международный массив точного времени пульсаров (IPTA) состоит из четырёх исследовательских групп в Европе, Северной Америке, Индии и Австралии. Каждая группа ищет низкочастотные гравитационные волны, отслеживая время прихода импульсов более чем 100 миллисекундных пульсаров, находящихся на расстоянии тысяч световых лет друг от друга.
В 2023 году именно результаты IPTA потрясли мир, когда несколько групп сообщили о первых доказательствах существования фонового гравитационного излучения.
Гравитационные волны создаются повсюду, всё время, например, от вращающихся сверхмассивных чёрных дыр, создавая море интерферирующих волн. Австралийский вклад называется проектом Parkes Pulsar Timing Array (PPTA).
«Мурриянг (64-метровый радиотелескоп CSIRO Parkes в Новом Южном Уэльсе) наблюдает за миллисекундными пульсарами для обнаружения гравитационных волн с 2004 года и в результате является самым продолжительным экспериментом с массивом точного времени пульсаров в мире», — говорит Дэниел Рирдон, астрофизик из Университета Суинбёрна и участник PPTA.
Рирдон возглавлял одну из тех работ, которые взорвали интернет в июне 2023 года, в которой команда PPTA обнаружила, что их анализ 18 лет данных согласуется с изотропным фоном гравитационных волн. Это означает, что во всех направлениях присутствует схожий сигнал фонового гравитационного излучения.
Но данные всё ещё остаются загадкой. «Мы пока не знаем источника гравитационных волн», — отмечает Рирдон.
Одна из теорий состоит в том, что фоновое гравитационное излучение создаётся сверхмассивными чёрными дырами, которые находятся в центрах большинства галактик, включая нашу собственную. Каждая из них в миллионы или миллиарды раз массивнее нашего Солнца, и одна из величайших загадок физики на данный момент — это то, как и когда образовались эти гигантские монстры.
Потенциально эти гравитационные волны возникли раньше во вселенной, чем мы сначала ожидали. Это было бы революционным, поскольку мы не знаем, как и когда эти сверхмассивные чёрные дыры образовались в первую очередь. Понимание того, когда они начали сливаться, могло бы помочь нам раскрыть секреты их формирования.
За пределами сверхмассивных чёрных дыр другая теория предполагает, что фоновое гравитационное излучение могло иметь происхождение в самом Большом взрыве. В принципе, могли остаться гравитационные волны, возникшие в результате космической инфляции, менее чем через одну секунду после самого начала времени, когда вселенная внезапно расширилась со сверхсветовой скоростью.
«Возможно, что гравитационные волны, созданные из квантовых флуктуаций, могли быть усилены инфляцией до низкочастотных гравитационных волн», — говорит Рирдон. «Но для того, чтобы это было наблюдаемо, должны быть выполнены определённые условия».
Эти условия связаны с фундаментальной физикой самих пульсаров, и эти условия в настоящее время не выполняются. Гораздо более вероятно, что сигнал, который мы недавно обнаружили, исходит от слияния сверхмассивных чёрных дыр, просто происходящих немного раньше во вселенной, чем мы ожидали.
Старая вселенная, новые горизонты
Гравитационные волны — и особенно фоновое гравитационное излучение — меняют правила игры для астрономов, перед которыми стоит сложная задача определения самой природы вселенной: её формы, размера и состава. Долгое время эта задача ограничивалась нашей способностью обнаруживать свет, который исторически является доминирующим способом получения астрономической информации.
В настоящее время самый дальний объект, который мы можем увидеть, — это космическое микроволновое фоновое излучение, поскольку именно тогда вселенная стала прозрачной для света. Фоновое гравитационное излучение может стать способом «увидеть» прошлое этого, чтобы узнать время до того, как вселенная стала прозрачной для света.