Впервые «пойманы» гравитационные волны, пронизывающие всю ткань пространства-времени

После 15 лет сбора данных в рамках эксперимента размером с галактику ученые впервые «услышали» непрекращающийся хор гравитационных волн, пронизывающих нашу Вселенную, и он громче, чем ожидалось.

Открытие было сделано учеными из Североамериканской наногерцовой обсерватории гравитационных волн (NANOGrav), которые внимательно наблюдали за пульсарами — эти звезды действуют как небесные метрономы. К тем же выводам пришли исследователи еще из нескольких стран по всему миру. Недавно обнаруженные гравитационные волны — рябь ткани пространства-времени — на сегодняшний день являются самыми мощными из когда-либо измеренных: они несут примерно в миллион раз больше энергии, чем обнаруженные раньше единичные всплески от слияний черных дыр и нейтронных звезд, сообщают ученые NANOGrav в серии новых статей, опубликованных сегодня в Astrophysical Journal Letters.

«Это похоже на хор всех этих пар сверхмассивных черных дыр, поющих на разных частотах», — говорит ученый из NANOGrav Кьяра Мингарелли.

На данный момент NANOGrav может измерять только общий фон гравитационных волн, а не излучение отдельных «дуэтов». Но даже это преподнесло сюрпризы.

«Фон гравитационных волн примерно в два раза громче, чем мы ожидали. Это верхний предел того, что наши компьютерные модели предполагают для сверхмассивных черных дыр», — говорит Мингарелли, ныне доцент Йельского университета.

Эта громкость может быть результатом ошибок в эксперименте или, что гораздо более интересно, следствием того, что сверхмассивных черных дыр на самом деле гораздо больше, чем считалось. Но существует также вероятность того, что мощные гравитационные волны генерируются чем-то другим например механизмами, предсказанными теорией струн, или альтернативными объяснениями рождения Вселенной.

Эти гравитационные волны отличаются от всех, тех были измерены ранее. В отличие от высокочастотных всплесков волн, обнаруженных наземными приборами LIGO и Virgo, основной фон гравитационных волн ультранизкочастотный. На один подъем и спад одной из волн могут уйти годы или даже десятилетия. Поскольку гравитационные волны распространяются со скоростью света, длина одной длины волны может составлять десятки световых лет.

Земные приборы не могли бы обнаружить такие колоссальные волны, поэтому команда NANOGrav вместо этого смотрела на звезды. Ученые внимательно наблюдали за пульсарами, сверхплотными остатками массивных звезд. Пульсары действуют как звездные маяки, испуская лучи радиоволн со своих магнитных полюсов. Поскольку пульсары быстро вращаются (иногда сотни раз в секунду), эти лучи проносятся по небу, появляясь на Земле как ритмичные импульсы радиоволн, как идеально синхронизированный метроном.

Когда между Землей и пульсаром проходит гравитационная волна, она сбивает синхронизацию радиоволн. Это происходит потому, что, как предсказал Альберт Эйнштейн, гравитационные волны растягивают и сжимают пространство. 15 лет ученые точно определяли время импульсов от 67 миллисекундных пульсаров нашей галактики.

«Пульсары на самом деле являются очень слабыми источниками радиоизлучения, поэтому для проведения этого эксперимента нам требуются тысячи часов в год на крупнейших в мире телескопах», — говорит Маура Маклафлин из Университета Западной Вирджинии, содиректор Центра физических границ NANOGrav.

В итоге удалось вычленить помехи, дополнительный «гул», общий для всех пульсаров в массиве данных.

Наиболее вероятными источниками гравитационно-волнового фона являются пары сверхмассивных черных дыр, быстро вращающихся друг вокруг друга. Эти черные дыры поистине колоссальны, они содержат массу в миллиарды солнц. Почти все галактики, включая Млечный Путь, имеют в центре хотя бы одного из таких гигантов. Когда две галактики сливаются, их сверхмассивные черные дыры могут встретиться и начать вращаться вокруг друг друга. Со временем их орбиты сужаются, пока дыры в конце концов не столкнутся. Черные дыры столкнутся через несколько миллионов лет после того, как начинают излучать достаточно сильные гравитационные волны, что иих можно заметить с помощью пульсаров.

Поскольку пары сверхмассивных черных дыр образуются в результате слияния галактик, обилие их гравитационных волн поможет космологам оценить, как часто галактики сталкивались на протяжении всей истории Вселенной. Пока выводы таковы, что во Вселенной обитают сотни тысяч, а может быть, даже миллион пар из сверхмассивных черных дыр.