Пульсарные часы открывают гравитационный шум Вселенной

Наблюдая за пульсарами, астрономы обнаружили низкочастотные гравитационные волны, приходящие на Землю со всех сторон.

Коллектив европейских астрономов, включающий участников из России, вместе с индийскими, китайскими и японскими коллегами впервые обнаружил убедительные доказательства существования сверхнизкочастотных гравитационных волн, которые, вероятно, исходят от пар сверхмассивных чёрных дыр в центре сливающихся галактик. Это результат более чем 25-летних наблюдений очень регулярных импульсов от пульсаров с помощью самых чувствительных радиотелескопов на разных континентах, открывший новое окно в исследованиях гравитационных волн. Результаты работы были опубликованы в серии статей в журнале Astronomy & Astrophysics.

Пульсары представляют собой быстро вращающиеся нейтронные звёзды. Благодаря очень сильному магнитному полю они излучают радиоволны из окрестностей магнитных полюсов узким лучом подобно земным маякам. Когда поток этого излучения пересекает Землю, на ней происходит приём импульса радиоизлучения. Из-за высокой плотности нейтронных звёзд их период вращения чрезвычайно стабилен, так что наблюдаемый период следования радиоимпульсов от пульсара также чрезвычайно стабилен. Пульсары — это фантастически точные космологические часы, которые астрономы используют для экспериментов. В частности, по крошечным изменениям регулярности «тиков» часов, можно обнаруживать тонкое растяжение и сжатие пространства-времени, вызванное гравитационными волнами.

Примечательно, что идея регистрации гравитационных волн с помощью радиопульсаров (так называемый метод «пульсарного тайминга») был предложен в 1978 году в работе молодого тогда сотрудника ГАИШ МГУ Михаила Васильевича Сажина, ушедшего из жизни 11 апреля 2023 года, и независимо — годом позже — американским астрофизиком Стивом Детвейлером.

Исследователи использовали двадцать пять специально выбранных миллисекундных радиопульсаров (Pulsar Timing Array — массив пульсарного тайминга, PTA), разбросанных по Млечному Пути, в качестве огромного детектора гравитационных волн размером с нашу Галактику, который даёт возможность исследовать гравитационные волны на более низких частотах (длина волны в несколько световых лет), чем на других детекторах, таких как LIGO и Virgo (у них длины волн составляют несколько километров). На этих наногерцовых частотах астрономы смогут наблюдать уникальные источники и явления.

Это была непростая задача, поскольку требовала чрезвычайно точных наблюдений на протяжении длительного времени. По ходу дела необходимо было также отсеивать различные посторонние влияния. Работа скоординировано велась сразу несколькими исследовательскими группами из Европы (EPTA), Индии (InPTA), Австралии (PPTA), Китая (CPTA) и Северной Америки (NANOGrav). Поскольку результаты, полученные ими по отдельности, согласуются, это даёт исследователям дополнительную уверенность в том, что открытие реально и найденный сигнал действительно исходит от гравитационных волн.

В отличие от гравитационных волн, открытых в 2015 году наземным гравитационно-волновым интерферометром LIGO, от сливающихся двойных чёрных дыр или нейтронных звёзд, наблюдаемые сейчас гравитационные волны, скорее всего, представляют собой сумму сигналов от очень большого числа сверхмассивных чёрных дыр, очень медленно вращающихся вокруг друг друга. То есть этот сигнал, по сути случайный гравитационный «шум», создаётся не одним, а совокупностью большого количества независимых источников. И он очень интересен для астрофизиков, поскольку мы ещё мало знаем о двойных чёрных дырах с огромными массами — от миллионов до миллиардов масс Солнца, которые образуются при слиянии галактик.

Однако не исключено (и по мнению некоторых исследователей даже более правдоподобно), что этот фон гравитационных волн в наногерцовом диапазоне частот имеет космологическую природу и может быть следом каких-то физических процессов, происходивших в конце инфляционной стадии расширения Вселенной, предшествовавшей «Большому взрыву». Это тогда будет некий гравитационный аналог реликтового излучения — чрезвычайно слабый «шум» пространства-времени, приходящий на Землю изотропно со всех направлений.

В открытии этого сигнала приняли активное участие бывшие выпускники ГАИШ МГУ — Станислав Бабак и Наталия Порайко, а также директор ГАИШ МГУ чл.-корр. РАН Константин Постнов и студент 4 курса астрономического отделения физического факультета МГУ Тимур Хизриев.

В будущем крупные PTA объединят свои наборы данных для Международной системы синхронизации пульсаров. Это в итоге приведёт к новому пониманию эволюции сверхмассивных чёрных дыр и огромных галактик, в которых они образовались, а, возможно, и к новым открытиям в космологии.