Международная коллаборация радиоастрономов объявила об открытии, которое может стать одним из важнейших достижений современной космологии. Речь идет о новом типе гравитационных волн, которые вызваны слиянием сверхмассивных черных дыр. Эти волны открыли методом, который почти полвека назад предложил советский астроном Михаил Сажин, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Astrophysical Journal Letters.
Феномен гравитационных волн, то есть возмущения метрики пространства-времени массивными телами, двигающимися с переменным ускорением, был предсказан Альбертом Эйнштейном в 1916 году. Экспериментальное подтверждение было впервые получено лишь в 2015 году с помощью гравитационно-волновой обсерватории LIGO, поймавшей сигнал от слияния двух черных дыр звездных масс, за что в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Однако уже давно ученые надеялись зафиксировать гравитационные волны от куда более массивных источников — так называемых сверхмассивных черных дыр, которые находятся в центрах большинства галактик. Чтобы ловить волны от черных дыр и нейтронных звезд, проект LIGO использует лазерный интерферометр, способный измерять колебания пробных тел с амплитудой менее размера атомного ядра и частотами в сотни герц. Но этот способ регистрации не годится в случае галактических черных дыр, которые в миллиарды раз массивнее дыр звездных масс, и генерируют значительно более длинные волны — расстояние между соседним гребнями таких волн составляет десятки световых лет, а частоты измеряются наногерцами. Ни один лабораторный эксперимент на Земле не способен поймать приход таких низкочастотных волн, поэтому искать его проявления попытались в космосе.
Первым такую идею высказал в 1978 году сотрудник отдела релятивистской астрофизики Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ Михаил Сажин (умер в апреле 2023 года). В статье «Возможности детектирования сверхдлинных гравитационных волн», (Астрономический журнал) он предложил использовать для этого в качестве точных часов пульсары — компактные вращающиеся объекты, излучающие электромагнитные сигналы строгой периодичности. Принцип состоит в том, что гравитационные волны искривляют пространство-время, поэтому скорость течения времени в различных областях пространства, куда доходит волна, может меняться. Поэтому, если между Землей и пульсаром пройдет гравитационная волна, то частота принимаемого на Земле сигнала «точного времени» должна меняться.
Чтобы использовать этот подход и была создана международная коллаборация радиоастрономов North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). С помощью таких телескопов, как «Аресибо», Green Bank Telescope и Very Large Array астрономы 15 лет следили за мельчайшими изменениями прихода импульсов от десятков пульсаров, чтобы выявить сбои, указывающие на гравитационно-волновую аномалию. «Пульсары — довольно слабые радиоисточники, поэтому для проведения эксперимента нам ежегодно нужны тысячи часов наблюдений на крупнейших в мире телескопах, — пояснила Маура МакЛафлин из Университета Западной Вирджинии.
Спустя 15 лет наблюдений ученые сразу нескольких научных организаций из разных стран, участвующих в коллаборации, объявили, что многолетний анализ сигналов позволил выявить наличие наногерцовых гравитационных волн c периодами от нескольких лет до десятилетий. Пока это скорее «гул», не позволяющий отождествить волны с конкретным источником. «Сейчас мы получили свидетельство гравитационных волн, следующим шагом станет использование наших наблюдений для изучения источников, производящих этот гул», — пояснила Сара Вигеланд, член коллаборации.
Наиболее вероятным источником наногерцового гула являются пары сверхмассивных черных дыр, движущихся по «смертельной» спирали друг к другу. Такие встречи возможны при столкновении галактик, в центрах которых, как правило, находятся черные дыры массой в миллионы масс Солнца. В результате эти гигантские объекты начинают вращаться вокруг общего центра масс, постепенно сближаясь за счет трения о межзвездный газ и звезды.
Ряд теоретических работ предполагает, что, сблизившись на расстояние в 1 парсек (примерно 3 световых года), черные дыры перестают терять энергию, и должны перестать сближаться на миллиарды лет. В этом состоит так называемая проблема последнего парсека, предполагающая, что лишь малая часть сверхмассивных черных дыр в итоге сливается в одну.
Потеря ими энергии на излучение гравитационных волн является механизмом, способным приводить дыры к окончательному слиянию. «Когда дыры сближаются настолько, что это влияет на приход сигналов от пульсаров, ничто не может остановить их от слияния в течение всего нескольких миллионов лет», — пояснил Люк Келли, член коллаборации из Калифорнийского университета в Беркли. Обнаружение наногерцовых волн способно подтвердить это предсказание и решить проблему последнего парсека, уверены ученые.
«Нет больших сомнений, что открытие сверхдлинных гравитационных волн будет увенчано Нобелевской премией — может, уже в следующем году, если 15-ти летние данные будут достаточно убедительны, или же в ближайшие годы. Как правило, Нобелевскую премию дают и теоретику, предсказавшему явление, и наблюдателям. С этой точки зрения, Михаил Сажин является очевидным кандидатом на половину Нобелевской премии», — писал в 2022 году астрофизик Николай Горькавый.
