Пульсары предполагают, что через космос проходят ультранизкочастотные гравитационные волны. Сигнал, замеченный международными коллаборациями по измерению времени прихода импульсов пульсаров в 2023 году, может исходить либо из стохастического фона гравитационных волн — суммы многих далёких источников, либо из единственной близкой пары сверхмассивных чёрных дыр.
Чтобы отличить эти источники, Хидэки Асада, физик-теоретик и профессор Университета Хиросаки, и Сюн Ямамото, исследователь Высшей школы науки и технологий Университета Хиросаки, предлагают метод, использующий явления биений между гравитационными волнами почти одинаковой частоты. Они ищут отпечаток этих волн в крошечных сдвигах времени прихода радиоимпульсов пульсаров.
Их работа была опубликована в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Небо заполнено «космическими часами» — пульсарами, нейтронными звёздами, которые излучают радиоимпульсы через равные промежутки времени, подобно устойчивому тиканью. Радиотелескопы на Земле отслеживают их периодичность — не только для изучения самих пульсаров, но и для использования их в качестве инструментов исследования Вселенной.
Если что-то невидимое — почти «космический призрак» — искажает пространство-время на пути от пульсара к Земле, регулярность импульсов меняется. Аномалия неслучайна: подобные отклонения появляются у пульсаров в определённых областях неба, как будто через них проходит волнообразная рябь.
«В 2023 году несколько коллабораций по измерению времени прихода импульсов пульсаров — NANOGrav в США и европейские команды — объявили о веских доказательствах наличия наногерцевых гравитационных волн», — отмечает Асада.
Наногерц означает периоды волн от месяцев до лет, с длиной волны в несколько световых лет. Чтобы исследовать такие масштабы, мы полагаемся на далёкие, стабильные пульсары, находящиеся на расстоянии от сотен до тысяч световых лет.
«Сигнал был статистически надёжным, но ниже порога в 5 сигм, который обычно требуют физики элементарных частиц», — продолжает он. «Это „веские доказательства“, но пока не подтверждённое обнаружение. Однако сообщество космологов и астрофизиков считает, что мы приближаемся к первому обнаружению наногерцевых гравитационных волн».
На данный момент уверенность ниже порогового значения «золотого стандарта»; если будущие данные его подтвердят, следующим шагом, по словам Асады, будет идентификация источника.
«Есть два основных источника-кандидата для наногерцевых гравитационных волн», — объясняет он. «Одна из них — космическая инфляция, которая могла бы создать флуктуации пространства-времени в самой ранней Вселенной, позже растянутые до космических масштабов. Другая — пары сверхмассивных чёрных дыр, которые образуются при слиянии галактик. Оба сценария могли бы генерировать наногерцевые гравитационные волны».
Трудность заключается в том, что закономерности корреляции в данных пульсаров — способ, которым временные остатки от разных пульсаров коррелируют — долгое время считались одинаковыми в обоих случаях.
«В нашей статье мы исследовали ситуацию, когда близкая пара сверхмассивных чёрных дыр создаёт особенно сильный сигнал», — говорит Асада. «Если у двух таких систем очень похожие частоты, их волны могут интерферировать и создавать биения, как в акустике. Этот признак, в принципе, мог бы позволить нам отличить их от стохастического фона инфляции».
Асада и Ямамото используют знакомый акустический эффект — биения. Когда две волны имеют почти одинаковую частоту, их суперпозиция создаёт периодическое усиление и ослабление.
Применительно к гравитационным волнам две пары сверхмассивных чёрных дыр с похожими частотами оставят характерный след в сигнале времени прихода импульсов пульсаров. Метод заключается в поиске этого следа — «биения» — в паттернах корреляции пульсаров. Если он присутствует, это убедительно указывает на то, что сигнал исходит не из диффузного фона, а из конкретных, относительно близких пар.
«Я думаю, что как только будет достигнуто подтверждённое обнаружение на уровне 5 сигм, возможно, в течение нескольких лет, следующим шагом будет вопрос: каково происхождение волн? В этот момент наш метод может быть полезен, чтобы определить, исходят ли они из инфляции или от близких пар сверхмассивных чёрных дыр», — заключает Асада.