Новые открытия, недавно появившиеся в The Astrophysical Journal Letters, происходят из U.S. и канадский проект под названием Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav).
Более 13 лет исследователи NANOGrav изучали свет, исходящий от десятков пульсаров, разбросанных по всей галактике Млечный Путь, чтобы попытаться обнаружить "фон гравитационных волн"."Это то, что ученые называют постоянным потоком гравитационного излучения, которое, согласно теории, постоянно омывает Землю.
Команда еще не определила эту цель, но она становится ближе, чем когда-либо прежде, – сказал Джозеф Саймон, астрофизик из Университета Колорадо в Боулдере и ведущий автор новой статьи.
«Мы обнаружили сильный сигнал в нашем наборе данных», – сказал Саймон, научный сотрудник отдела астрофизических и планетарных наук. «Но мы пока не можем сказать, что это фон гравитационной волны."
В 2017 году ученые в эксперименте под названием «Гравитационно-волновая обсерватория с лазерным интерферометром» (LIGO) получили Нобелевскую премию по физике за первое в истории прямое обнаружение гравитационных волн. Эти волны были созданы, когда две черные дыры врезались друг в друга примерно в 130 миллионах световых лет от Земли, создав космический удар, который распространился на нашу солнечную систему.
Это событие было равнозначно удару тарелки – сильному и недолговечному звуку. Гравитационные волны, которые ищут Саймон и его коллеги, напротив, больше похожи на устойчивый гул разговора на многолюдной коктейльной вечеринке.
Он добавил, что обнаружение этого фонового шума было бы крупным научным достижением, открывшим новое окно в работу Вселенной. Эти волны, например, могут дать ученым новые инструменты для изучения того, как с течением времени сливаются сверхмассивные черные дыры в центрах многих галактик.
«Эти заманчивые первые намеки на фон гравитационных волн предполагают, что сверхмассивные черные дыры, вероятно, действительно сливаются, и что мы покачиваемся в море гравитационных волн, возникающих в результате слияния сверхмассивных черных дыр в галактиках по всей Вселенной», – сказала Джули Комерфорд, доцент кафедры астрофизика и планетология в CU Boulder и член команды NANOGrav.
Саймон представит результаты своей команды на виртуальной пресс-конференции в понедельник на 237-м заседании Американского астрономического общества.
Галактические маяки
Благодаря своей работе над NANOGrav, Саймон и Комерфорд участвуют в международной гонке по поиску фона гравитационных волн, хотя и на совместной основе. Их проект объединяет два других проекта из Европы и Австралии, чтобы создать сеть под названием International Pulsar Timing Array.
Саймон сказал, что, по крайней мере, согласно теории, слияние галактик и другие космологические события вызывают постоянный всплеск гравитационных волн. Они огромны – одна волна, по словам Саймона, может пройти годы или даже дольше, чтобы пройти мимо Земли.
По этой причине никакие другие существующие эксперименты не могут обнаружить их напрямую.
«Другие обсерватории ищут гравитационные волны порядка секунд», – сказал Саймон. "Мы ищем волны порядка лет или десятилетий."
Ему и его коллегам пришлось проявить творческий подход. Команда NANOGrav использует телескопы на земле не для поиска гравитационных волн, а для наблюдения за пульсарами.
Эти разрушенные звезды – маяки галактики. Они вращаются с невероятно высокой скоростью, посылая потоки радиации, устремляющиеся к Земле в мигающем узоре, который остается в основном неизменным на протяжении эонов.
Саймон объяснил, что гравитационные волны изменяют устойчивую картину света, исходящего от пульсаров, увеличивая или сжимая относительные расстояния, на которые эти лучи проходят через пространство. Другими словами, ученые могли бы обнаружить фон гравитационных волн, просто отслеживая пульсары на предмет коррелированных изменений времени их прибытия на Землю.
«Эти пульсары вращаются так же быстро, как ваш кухонный блендер», – сказал он. "И мы смотрим на отклонения в их сроках всего в несколько сотен наносекунд."
Что-то там
Чтобы найти этот тонкий сигнал, команда NANOGrav стремится наблюдать как можно больше пульсаров как можно дольше. На сегодняшний день группа наблюдала 45 пульсаров в течение как минимум трех лет, а в некоторых случаях и более десяти лет.
Кажется, тяжелая работа окупается. В своем последнем исследовании Саймон и его коллеги сообщают, что они обнаружили в своих данных отчетливый сигнал: кажется, что на свет, исходящий от многих пульсаров, влияет какой-то общий процесс.
"Мы прошли через каждый из пульсаров один за другим. Я думаю, мы все ожидали найти несколько тех, кто скинул наши данные », – сказал Саймон. "Но потом мы прошли через все и сказали: ‘Боже мой, на самом деле здесь что-то есть.’"
Исследователи до сих пор не могут сказать наверняка, что вызывает этот сигнал. Им нужно будет добавить больше пульсаров в свой набор данных и наблюдать за ними в течение более длительных периодов времени, чтобы определить, действительно ли это работает на фоне гравитационных волн.
«Возможность обнаружить фон гравитационной волны будет огромным шагом, но на самом деле это только первый шаг», – сказал он. "Шаг второй – определить, что вызывает эти волны, и выяснить, что они могут рассказать нам о Вселенной."
NANOGrav – это U.S. Центр физических границ Национального научного фонда.
Его со-режиссерами являются Маура Маклафлин из Университета Западной Вирджинии и Ксавьер Сименс из Университета штата Орегон.