"Обсерватория размером с галактику" нашла необычные гравитационные волны

Похоже, учёные впервые зафиксировали гравитационные волны, порождённые множеством чёрных дыр огромной массы. Для этого астрономам понадобилась "обсерватория размером с галактику" и годы кропотливого труда. Правда, пока исследователи не совсем уверены, что обнаружили именно то, что искали.

Достижение описано сразу в двух научных статьях (1, 2), опубликованных в журнале Astrophysical Journal Letters сотрудниками коллаборации NANOGrav.

Напомним, что действующие детекторы гравитационных волн LIGO и VIRGO фиксируют сигналы, возникающие при столкновении нейтронных звёзд и чёрных дыр звёздной массы. Такие так называемые гравитационные волны имеют частоту от десятков до тысяч герц (то есть колебаний в секунду). Другими словами, когда подобный сигнал достигает детектора, за секунду через него успевает пройти от десятков до тысяч гребней удивительной волны.

Сверхмассивные чёрные дыры массой в миллионы и миллиарды солнц тоже порождают гравитационные волны. Такие волны излучаются, когда эти гиганты движутся вокруг общего центра масс в тесной паре, а также когда они сталкиваются и сливаются. Но частота такого сигнала будет другой. Она измеряется наногерцами или десятками наногерц, что в миллиарды и триллионы раз ниже, чем при столкновении чёрных дыр звёздной массы. То есть волны настолько длинные, что каждому гребню требуются годы или десятилетия, чтобы пройти через детектор, несмотря на то, что движется он со скоростью света.

LIGO и VIRGO не способны улавливать настолько длинные волны. Но у астрономов есть способ поймать и такие сигналы. Для этого учёные используют природные радиомаяки – пульсары.

Вести.Ru подробно рассказывали о них. Напомним, что пульсар – это нейтронная звезда, которая испускает радиоволны в виде узкого пучка. Последний вращается вместе с самим пульсаром вокруг его оси. Когда луч попадает в поле зрения радиотелескопа, тот фиксирует яркую вспышку. Эта вспышка повторяется при каждом обороте нейтронной звезды, когда радиолуч снова и снова накрывает Землю.

Промежуток времени между соседними импульсами равен периоду вращения пульсара вокруг своей оси. Он удивительно постоянен: по стабильности эти природные часы сравнимы с атомными. Это свойство и используют охотники за гравитационными волнами.

Гравитационная волна немного меняет расстояние между пульсаром и Землёй. Из-за этого меняется промежуток времени между соседними импульсами. Разница, конечно, ничтожно мала, но всё же современное оборудование позволяет обнаружить её с помощью достаточно тщательных наблюдений.

Сотрудники проекта NANOGrav как раз и пытаются найти такие изменения (приставка "нано" указывает на охоту за наногерцевыми гравитационными волнами). Они наблюдают десятки пульсаров, разбросанных по Млечному Пути. В каком-то смысле астрономы пользуются обсерваторией размером с галактику.

Исследователи следят за нейтронными звёздами, у которых период вращения измеряется миллисекундами, то есть тысячными долями секунды (такие пульсары называются миллисекундными). При этом приборы астрономов измеряют время с точностью до десятимиллионной доли секунды. Астрономы пытаются выловить изменения во времени прихода импульсов, вызванные гравитационными волнами.

Таким путём трудно обнаружить отдельное событие, такое как столкновение двух сверхмассивных чёрных дыр. Но огромное количество таких катаклизмов, происходящих в разных уголках Вселенной, должно порождать постоянный фон из гравитационных волн, нечто вроде гула Вселенной. Вот его-то и ищут специалисты.

Новые публикации посвящены наблюдению 47 пульсаров, каждый из которых наблюдался от трёх до 12,5 лет. Столь длительное время наблюдений необходимо, так как волны очень длинные. В сигналах, приходящих от 14 нейтронных звёзд, астрономы обнаружили нечто, весьма похожее на след гравитационных волн.

Впрочем, авторы пока не исключают, что наблюдаемый эффект может быть вызван и другими причинами.

"Мы обнаружили сильный сигнал в нашем наборе данных. Но мы ещё не можем утверждать, что это фоновые гравитационные волны", – подчёркивает соавтор исследования Джозеф Саймон (Joseph Simon) из Университета Колорадо в Боулдере.

Проект продолжает работу, и будущие наблюдения должны внести ясность в вопрос, действительно ли обнаружен "гравитационный шёпот" сверхмассивных чёрных дыр.

Если открытие подтвердится, в руки астрономов попадёт новый инструмент изучения сверхмассивных чёрных дыр, этих таинственных монстров, даже само происхождение которых пока остаётся загадочным.

Ранее Вести.Ru рассказывали о том, что гравитационные волны от столкновения этих гигантов сможет фиксировать космический детектор LISA.