Всё пространство-время дрожит от пульсации гравитационных волн

После 15 лет наблюдения за 68 объектами, известными как миллисекундные пульсары, мы обнаружили фоновый сигнал гравитационных волн во Вселенной!

Со всех концов Вселенной планеты, звезды, остатки звёзд и другие массивные объекты вступают в сложный, но по своей сути нестабильный гравитационный танец. Каждая масса искривляет ткань пространства-времени в своей окрестности, а все остальные массы движутся по траектории, определяемой этим искривлённым пространством-временем. Но этот простой акт — движение одной массы через пространство, искривлённое другой массой, — по своей сути нестабилен, поскольку гравитирующие массы, движущиеся через гравитационное поле, сами испускают гравитационное излучение или гравитационные волны.

В течение 100 лет после создания общей теории относительности эти гравитационные волны оставались незамеченными, пока научная коллаборация LIGO не обнаружила их исходящими от чёрных дыр малой массы (несколько сотен солнечных масс или меньше) на последних стадиях их инспирации и слияния. За время, прошедшее с момента первого обнаружения в 2015 году, было обнаружено ещё около 100 сигналов гравитационных волн, но все они находились на тех же конечных стадиях падения друг на друга по спирали и слияния.

Впервые новый класс сигналов гравитационных волн был замечен совершенно иным способом: учёные следили за работой самых точных природных часов во Вселенной — миллисекундных пульсаров. В серии работ NANOGrav коллаборация представляет убедительные доказательства существования детектируемого гравитационного волнового фона на временных масштабах, в ~10 миллиардов раз превышающих возможности LIGO. Это первое прямое обнаружение такого космического гравитационно-волнового фона, и следующие шаги будут ещё более захватывающими.

Прежде всего, невозможно переоценить, какой это огромный успех — увидеть эти гравитационные волны. Одним из замечательных предсказаний общей теории относительности было то, что, в отличие от ньютоновской гравитации, гравитационно связанные системы не могут быть стабильными вечно. Согласно законам Ньютона, если вы выведете две любые массы во Вселенной на орбиту вокруг друг друга, каждая из них будет иметь форму замкнутого эллипса, возвращаясь в одну и ту же точку снова и снова с каждой орбитой, причём эта орбита никогда не распадается, а остаётся вечно стабильной.

В общей теории относительности всё не так. Согласно теории гравитации Эйнштейна, любые две массы, вращающиеся друг вокруг друга, не могут делать это вечно, поскольку искривление пространства-времени категорически запрещает это. Эти массы будут излучать энергию в виде гравитационных волн, из-за этого постепенно сближаясь по мере затухания их орбит. В конце концов, если подождать достаточно долго, эти массы будут сближаться друг с другом, переходить на более узкие орбиты, где они будут двигаться ещё быстрее, излучать гравитационные волны всё более высокой частоты (с более коротким периодом) и большей амплитуды, и так далее, и так далее, пока в конце концов не сольются воедино.

Во Вселенной Эйнштейна, которая, насколько мы можем судить, является наилучшим описанием нашей Вселенной, каждая система нестабильна подобным образом. Даже если бы Солнце и Земля жили вечно, находясь в точно таком же состоянии, как сегодня, Земля и Солнце сблизились и слились бы через ~10²⁶ лет.

Намёки на то, что такой тип орбитального распада и неизбежно связанное с ним излучение гравитационных волн происходят, появились ещё до того, как мы измерили первые гравитационные волны напрямую. Эти намёки исходили от типа объектов, известных как миллисекундные пульсары — самые точные природные часы во Вселенной. Пульсар — это нейтронная звезда с невероятно сильным магнитным полем: в миллиарды и квадриллионы раз более мощным на поверхности нейтронной звезды, чем магнитное поле здесь, на поверхности нашей планеты. У пульсаров есть и ось вращения, и смещённая магнитная ось, поэтому каждый раз, вращаясь вокруг своей оси, они «излучают» короткий всплеск света на каждый объект, который случайно совпадает с местом, куда направлена их магнитная ось.

Не каждая нейтронная звезда является пульсаром, но мы пока не знаем, потому ли это, что не каждая нейтронная звезда пульсирует, или просто потому, что у большинства нейтронных звёзд магнитная ось при вращении не направлена на нас. Из наблюдаемых пульсаров большинство молоды и/или вращаются очень медленно. Но по мере старения они, как известно, раскручиваются, поэтому существует популяция очень старых пульсаров, которые вращаются с периодом 1-10 миллисекунд, пульсируя 100 или более раз каждую секунду. Эти миллисекундные пульсары являются самыми точными природными часами во Вселенной и могут сохранять время с точностью до ~1 микросекунды на протяжении десятилетий.

Во второй половине XX века мы обнаружили первую бинарную пульсарную систему: пульсар вращается вокруг другого объекта звёздной массы. И вот, орбита пульсара, судя по времени его импульсов, оказалась затухающей, что в точности соответствовало предсказаниям Общей теории относительности.

Поскольку (гравитационная потенциальная) энергия терялась по мере распада орбиты, что-то должно было уносить эту энергию, и гравитационные волны были единственным вариантом. Это было одним из основных мотивов для создания наземных детекторов гравитационных волн, таких как LIGO и Virgo, для непосредственного обнаружения финальных стадий этих инспираций и слияний. С 2015 года — когда было произведено первое реальное обнаружение — и до настоящего времени это был единственный метод, который когда-либо использовался для успешного прямого наблюдения этих гравитационных волн.

Гравитационные волны излучаются всеми орбитальными объектами по всей Вселенной, причём узкие орбиты создают высокочастотные (короткопериодные) гравитационные волны, а более широкие орбиты — низкочастотные (длиннопериодные) гравитационные волны. В то время как LIGO использует лазерные лучи длиной в несколько километров и чувствителен к гравитационным волнам с периодами в доли секунды, другие команды охотников за гравитационными волнами используют известные миллисекундные пульсары со всего Млечного Пути, разделённые тысячами световых лет. Наблюдая их все вместе и обращая внимание на разницу во времени между парами пульсаров, они могут измерить гравитационные волны с периодами в годы или даже десятилетия. После кропотливой 15-летней работы коллаборация NANOGrav наконец собрала достаточно данных о миллисекундных пульсарах, чтобы сделать вывод: само космическое время полно ряби от этих гравитационных волн, и мы с уверенностью видим их впервые.

Большинство из нас, когда представляют себе пространство, скорее всего, делают это так, как это делал Ньютон: как некую трёхмерную сетку. Когда на сцену вышла общая теория относительности Эйнштейна, его теория показала три недостатка ньютоновской картины, хотя сначала были осознаны только первые два.

1. Рассматривать пространство как трёхмерную систему с набором координат, расположенных поверх неё, было удобно, но выбор координат произволен, и каждый наблюдатель, находящийся в уникальном месте нашего четырёхмерного пространства-времени и уникальным образом движущийся в этом пространстве, будет воспринимать его по-разному. Не существует «абсолютных» координат, которые были бы лучше или хуже, чем любой другой набор координат; все они относительны для каждого конкретного наблюдателя, включая то, где он находится и как движется.

2. Сама структура пространства не является плоской, решётчатой и декартовой, как это представлял себе Ньютон. Вместо этого пространство искривлено и может «втекать» в области Вселенной или «вытекать» из них в зависимости от того, расширяется или сжимается эта часть Вселенной. Как однажды выразился один из величайших умов XX века в области общей теории относительности Джон Уилер, «пространство-время говорит материи [и энергии], как двигаться, а материя [и энергия], в свою очередь, говорит пространству-времени, как искривляться».

3. И на это искривлённое пространство-время с уникальной структурой относительно каждого наблюдателя накладывается полный набор всех гравитационных волн, распространяющихся через пространство-время со скоростью света: со всех направлений. Находиться в точке пространства-времени — всё равно что находиться на поверхности нестабильного океана, поскольку вы ощущаете совокупный эффект всех волн, генерируемых всеми источниками океана одновременно. Только вот в пространстве-времени эти волны генерирует космический океан, а также все формы материи и энергии в пределах нашей видимой Вселенной.

На всех частотах в нашей Вселенной ощущается «гул», создаваемый всеми гравитационными волнами вместе взятыми. Иногда, на последних стадиях падения тел друг на друга или слияния, один конкретный голос гравитационной волны — от бинарной системы из двух масс — выделяется над фоновым хором, крича с нарастающим тоном и достигая кульминации в какофоническом «стрекоте», — это именно то, что земные гравитационно-волновые обсерватории, такие как LIGO, улавливают в случае измерений чёрных дыр звёздной массы и нейтронных звёзд, и что космический аппарат LISA (Laser Interferometer Space Antenna) будет наблюдать у сверхмассивных чёрных дыр, поглощающих другие достаточно массивные тела.

Но этот «фоновый гул» присутствует на всех частотах и, что важно, создаётся всеми массами, вращающимися друг вокруг друга во Вселенной. Это справедливо для:

• планет, вращающихся вокруг звёзд,

• звёзд, входящих в многозвездные системы,

• звёздных остатков и их систем,

• звёзд и звёздных остатков, движущихся внутри галактик,

• галактик, которые сливаются вместе,

• и сверхмассивных чёрных дыр вместе со всем, что вращается вокруг них.

Основываясь на наилучшем современном понимании нашей Вселенной, мы можем смоделировать и рассчитать ожидаемую величину гравитационно-волнового фона на всех частотах. Если мы когда-нибудь достигнем соответствующего уровня чувствительности, то на любой частоте мы сможем обнаружить существование этого фона. А если мы сможем добиться ещё большей чувствительности, то сможем выяснить природу сигналов, вносящих вклад в этот фон, и определить, что на самом деле создаёт эти гравитационные волны, пронизывающие наш космос.

Такова главная новость, объявленная коллаборацией NANOGrav, которая обобщает данные о времени пульсаров, наблюдаемых по всей Северной Америке. (Существуют и другие массивы пульсаров, включая европейский EPTA, индийский InPTA, китайский CPTA, австралийский Parkes Pulsar Timing Array и международный проект IPTA, стремящийся синтезировать их все). За последние 15 лет в NANOGrav:

• увеличили количество наблюдаемых пульсаров с первоначальных 14 до 68 сегодня и более 80 в будущем,

• увеличилось количество телескопов и массивов телескопов, наблюдающих эти пульсары (за исключением недавно разрушившейся обсерватории Аресибо),

• увеличились типы частотных диапазонов, в которых можно наблюдать каждый отдельный пульсар (от минимального 327 МГц до максимального 3,0 ГГц),

• увеличили базовое время наблюдения этих пульсаров (только что опубликован набор данных за 15 лет),

• и, как результат всего этого, увеличение отношения сигнал/шум их данных в попытке обнаружить этот фоновый гул.

Наконец-то впервые им это удалось. У них достаточно высококачественных данных, чтобы увидеть веские доказательства существования этого фонового гула, который (согласно теории) должен возникать на этих частотах в основном от пар сверхмассивных чёрных дыр, обнаруженных в центрах галактик, образовавшихся после слияния.

При этом они не рассматривали абсолютные временные измерения каждого из этих пульсаров в отдельности, а коррелировали временные данные всех пар пульсаров (то есть рассматривали все возможные комбинации временных вариаций между двумя пульсарами вместе) и смотрели, как меняются их сигналы: в фазе или вне фазы, с положительной или отрицательной корреляцией, частотно-зависимым или частотно-независимым образом и т. д.

Различные сигналы должны генерировать различные типы корреляций, поэтому сотрудники NANOGrav проверили то, что они видят (а это, судя по данным, «не просто шум»), на соответствие различным наборам предсказаний.

• Они не видят доказательств того, что эти гравитационные волны были порождены инфляцией в начале ранней Вселенной, и это хорошо, потому что если бы сигналы от этих гравитационных волн были настолько велики, что проявлялись при таких чувствительностях, это поставило бы под сомнение всё, что мы думаем, что знаем о происхождении Вселенной.

• Они не видят никаких доказательств экзотической физики: причудливых фазовых переходов, первозданных чёрных дыр или космологических дефектов среди них.

• Они также не видят доказательств «стрекотания», которое могло бы возникнуть при слиянии сверхмассивных (возможно, даже слишком массивных для объяснения традиционной физикой) чёрных дыр.

Но даже несмотря на то, что пока нет достаточного сигнала, чтобы определить, что это за гравитационные волны, мы кое-что видим, и, похоже, этот сигнал наиболее соответствует тому, который ожидали теоретики: сигнал двойных сверхмассивных чёрных дыр.

Причина, по которой данные указывают на двойные сверхмассивные чёрные дыры как на наиболее вероятное объяснение, проста: из-за того, как галактики собрались в скопления, мы ожидаем, что увидим разные сигналы, приходящие с разных направлений. Поэтому если существует связь между корреляциями любых двух пульсаров и углами, под которыми относительно нашего положения эти два пульсара находятся на небе, это будет свидетельствовать в пользу интерпретации данных о сверхмассивных чёрных дырах. Такие свидетельства существуют, но пока не настолько значительны, чтобы утверждать о каком-то «открытии».

Это означает, что мы должны учитывать неприятную вероятность того, что этот сигнал окажется случайностью. Он ещё не достиг «золотого стандарта» открытий в физике и астрофизике — порога значимости в 5 сигм; он всего лишь около 4 сигм. Существует вероятность 1 к 10 000, что сигнал NANOGrav — это статистическая аномалия, и что существует какой-то другой артефакт, генерирующий негравитационные волны, который вызывает это появление. Но NANOGrav — не единственная коллаборация, которая заметила нечто, наводящее на размышления.

• Китайская система синхронизации пульсаров (CPTA) объявила об обнаружении гравитационного волнового фона со значением 4,6 сигма, хотя её основным ограничением является то, что у них есть данные только за 3 года.

• Индийская система синхронизации пульсаров (Indian Pulsar Timing Array, InPTA) обнаружила нечто, соответствующее гравитационно-волновому фону «гула» Вселенной, но только с уровнем значимости 3 сигмы.

• Австралийская система Parkes Pulsar Timing Array не может ни подтвердить, ни опровергнуть существование такого сигнала, поскольку видит лишь слабые (2 сигмы) свидетельства его наличия.

Но Международная система синхронизации пульсаров в ближайшие 1-2 года надеется объединить все наблюдения, полученные в ходе различных коллабораций. Когда это произойдёт, мы как раз сможем преодолеть тот самый порог обнаружения в 5 сигм с имеющимися у нас данными.

Однако пусть всё это не мешает вам оценить, насколько значим этот момент для истории науки.

• Мы обнаружили существование гравитационного волнового фона Вселенной! Даже если нам ещё предстоит охарактеризовать его природу, просто увидеть, что «он есть», — это потрясающее достижение.

• Мы находимся на пути к определению его характеристик, и когда мы сможем это сделать, у нас будет второй в истории метод прямого обнаружения гравитационных волн после метода наземного лазерного интерферометра LIGO/Virgo.

• И просто более точное измерение пульсаров, с точки зрения большего количества антенн для наблюдения за пульсарами и глобального охвата этих пульсаров, позволит нам достичь этих целей.

Но это достижение — также очень веский научный аргумент в пользу того, чтобы сделать больше: построить более крупные и более чувствительные радиотелескопы. С крахом Аресибо и старением Очень Большого массива научные аргументы в пользу строительства ngVLA — Очень Большого массива следующего поколения — стали просто непреодолимыми. В своём десятилетнем обзоре 2020 года Национальная академия наук США назвала его главным приоритетом для радиоастрономии, и его строительство в соответствии с проектом откроет новую эру открытий в физике гравитационных волн.

Всё космическое пространство действительно пульсирует от совместного воздействия всех существующих гравитационных волн. Впервые мы не только можем быть уверены, что видели их, но и находимся на пороге понимания того, откуда они берутся.