9 подписчиков

Все пространство-время пронизано гравитационными волнами

9 июля 20239 июл 2023

14 мин

После 15 лет наблюдения за 68 объектами, известными как миллисекундные пульсары, мы обнаружили фоновый сигнал гравитационной волны Вселенной! Со всей Вселенной планеты, звезды, остатки звезд и другие массивные объекты вовлечены в сложный, но по своей сути нестабильный гравитационный танец. Каждая масса искривляет структуру пространства-времени в соответствующей окрестности, в то время как любая другая масса движется по траектории, определяемой этим искривленным пространством-временем. Но этот простой акт — движение одной массы в пространстве, искривленном другой массой, — по своей сути является нестабильным, поскольку гравитационные массы, движущиеся в гравитационном поле, подвергаются радиационной реакции, требующей, чтобы они испускали гравитационное излучение, или гравитационные волны. В течение 100 лет с момента появления общей теории относительности эти гравитационные волны оставались незамеченными, пока научное сотрудничество LIGO не обнаружило их у черных дыр малой массы (нескол

После 15 лет наблюдения за 68 объектами, известными как миллисекундные пульсары, мы обнаружили фоновый сигнал гравитационной волны Вселенной!

Со всей Вселенной планеты, звезды, остатки звезд и другие массивные объекты вовлечены в сложный, но по своей сути нестабильный гравитационный танец. Каждая масса искривляет структуру пространства-времени в соответствующей окрестности, в то время как любая другая масса движется по траектории, определяемой этим искривленным пространством-временем. Но этот простой акт — движение одной массы в пространстве, искривленном другой массой, — по своей сути является нестабильным, поскольку гравитационные массы, движущиеся в гравитационном поле, подвергаются радиационной реакции, требующей, чтобы они испускали гравитационное излучение, или гравитационные волны.

На этой карте показано относительное расположение 68 миллисекундных пульсаров относительно нашего в пределах Млечного Пути. Некоторые из них расположены на расстоянии ~ 10 000 световых лет, но многие ближе, и измерение разницы во времени пульсаров между парами пульсаров (относительно угла между ними) позволяет извлечь такой сигнал гравитационной волны, проходящий через нашу галактику. (Фото: NANOGrav Collaboration)

В течение 100 лет с момента появления общей теории относительности эти гравитационные волны оставались незамеченными, пока научное сотрудничество LIGO не обнаружило их у черных дыр малой массы (несколько сотен масс Солнца или ниже) на заключительных стадиях их возникновения и слияния. За время, прошедшее с момента первого обнаружения в 2015 году, было обнаружено около 100 других сигналов гравитационных волн, но все они находились на одних и тех же конечных стадиях распространения и слияния.

Впервые новый класс сигналов гравитационных волн был замечен совершенно по-другому: учеными, отслеживающими время самых точных естественных часов во Вселенной - миллисекундных пульсаров. В серии статей, посвященных исследованию силы, коллаборация NANOGrav представляет убедительные доказательства обнаруживаемого фона гравитационных волн во временных масштабах, в 10 миллиардов раз превышающих то, что способна видеть LIGO. Это первое прямое обнаружение этого космического гравитационно-волнового фона, и следующие шаги будут еще более захватывающими.

На этой иллюстрации показано, как Земля, сама погруженная в пространство-время, видит, как поступающие сигналы от различных пульсаров задерживаются и искажаются фоном космических гравитационных волн, которые распространяются по всей Вселенной. Совокупное воздействие этих волн изменяет время каждого пульсара, и долгосрочный, достаточно чувствительный мониторинг этих пульсаров может выявить эти гравитационные сигналы. (Фото: Тоня Кляйн / NANOGrav)

Во-первых, невозможно переоценить, какой 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 являются стабильными вечно. Согласно законам Ньютона, если вы поместите любые две массы во Вселенной на орбиту друг вокруг друга, каждая из них примет форму замкнутого эллипса, возвращаясь к одной и той же точке снова и снова с каждой орбитой, причем эта орбита никогда не затухает, но остается вечно стабильной.

В общей теории относительности все иначе. Согласно теории гравитации Эйнштейна, любые две массы, вращающиеся друг вокруг друга, не могут делать этого вечно, поскольку способ искривления пространства-времени абсолютно запрещает это. Со временем эти массы будут излучать энергию в виде гравитационных волн, постепенно заставляя их двигаться навстречу друг другу по мере того, как их орбиты затухают. В конце концов, если вы будете ждать достаточно долго, будет потеряно достаточно энергии, чтобы эти массы:

двигайтесь ближе друг к другу,
на более узкие орбиты,
где они движутся еще быстрее,
излучение гравитационных волн более высокой частоты (с более коротким периодом) и большей амплитудой,
и так далее, и так далее,
пока они в конечном итоге не сольются воедино.

Во Вселенной Эйнштейна, которая, насколько мы когда-либо могли измерить, является лучшим описанием нашей Вселенной, каждая система нестабильна подобным образом. Даже если бы Солнце и Земля жили вечно точно так же, как сейчас, Земля вдохновилась бы и слилась с Солнцем по прошествии ~ 1026 лет.

Численное моделирование гравитационных волн, испускаемых инспирацией и слиянием двух черных дыр. Цветные контуры вокруг каждой черной дыры представляют амплитуду гравитационного излучения; синие линии представляют орбиты черных дыр, а зеленые стрелки - их вращения. Акт ускорения одной массы через область искривленного пространства-времени всегда приведет к излучению гравитационных волн, даже для системы Земля-Солнце. (Предоставлено К. Хенце / Исследовательский центр НАСА имени Эймса)

Были намеки на то, что этот тип орбитального распада, наряду с обязательно связанным с ним излучением гравитационных волн, произошел еще до того, как мы непосредственно измерили первые гравитационные волны. Этот намек был получен от объектов типа, известного как миллисекундные пульсары: самых точных естественных часов Вселенной. Пульсар - это нейтронная звезда с невероятно сильным магнитным полем: на поверхности нейтронной звезды оно в миллиарды-квадриллионы раз мощнее, чем магнитное поле здесь, на поверхности нашей собственной планеты. Пульсары имеют как ось вращения, так и смещенную магнитную ось, и поэтому каждый раз, когда они вращаются, они “излучают” кратковременную вспышку света на каждый объект, которая случайно совпадает с точкой, на которую указывает его магнитная ось.

Не каждая нейтронная звезда является пульсаром, но мы пока не знаем, связано ли это с тем, что не каждая нейтронная звезда пульсирует, или просто потому, что у большинства нейтронных звезд их магнитная ось не “направлена на нас” при вращении. Но из наблюдаемых пульсаров большинство молодые и / или вращаются очень медленно. Но известно, что с возрастом они начинают вращаться, и поэтому существует популяция очень старых пульсаров, которые вращаются с периодом 1-10 миллисекунд, пульсируя 100 или более раз в секунду. Эти миллисекундные пульсары являются самыми точными естественными часами во Вселенной и могут отсчитывать время с точностью примерно до ~ 1 микросекунды в течение десятилетий.

Во второй половине 20-го века мы обнаружили нашу первую двойную систему пульсаров: пульсар вращается вокруг другого объекта звездной массы. О чудо, было обнаружено, что его орбита, основанная на синхронизации импульсов, затухает в точном соответствии с предсказаниями общей теории относительности.

Поскольку (гравитационный потенциал) энергия терялась по мере того, как орбита распадалась, что-то, должно быть, уносило эту энергию, и гравитационные волны были действительно единственным вариантом. Это было одной из основных причин для создания детекторов земных гравитационных волн, таких как LIGO и Virgo, для непосредственного обнаружения заключительных стадий этих вдохновений и слияний. С 2015 года, когда было проведено первое достоверное обнаружение, и до настоящего времени это был единственный метод, когда-либо использовавшийся для успешного прямого наблюдения этих гравитационных волн.

Три различных набора подходов к гравитационным волнам: наземные лазерные интерферометры, космические лазерные интерферометры и системы синхронизации пульсаров - все они чувствительны к различным классам сигналов гравитационных волн. В то время как LIGO была первой совместной разработкой, обнаружившей гравитационные волны на очень высоких частотах, совместная разработка NANOGrav получила убедительные доказательства на очень низких частотах (наногерц). (Фото: NANOGrav Collaboration)

Сегодня, 28 июня 2023 года (или 29 июня в некоторых частях света), день, когда все меняется.

Гравитационные волны излучаются всеми орбитальными объектами по всей Вселенной, причем узкие орбиты создают высокочастотные (короткопериодические) гравитационные волны, а более широкие орбиты создают низкочастотные (долгопериодические) гравитационные волны. В то время как LIGO использует лазерные рукава длиной в несколько километров и чувствителен к гравитационным волнам с периодами длиной в доли секунды, другие команды охотников за гравитационными волнами используют известные миллисекундные пульсары со всего Млечного Пути, разделенные тысячами световых лет. Наблюдая за ними всеми вместе и рассматривая разницу во времени между парами пульсаров, они могут измерять гравитационные волны с периодами в годы или даже десятилетия. После титанических 15-летних усилий коллаборация NANOGrav наконец собрала достаточно данных от достаточного количества миллисекундных пульсаров, чтобы сделать вывод, что, наконец, да: само пространство-время заполнено рябью от этих гравитационных волн, и мы уверенно видим их впервые.

Сигнал гравитационных волн, извлеченный коллаборацией NANOGrav, как показано зелеными контурами (1-сигма и 2-сигма), наряду с предсказанным сигналом, если 100% этого космического фона возникло из двойных сверхмассивных черных дыр. Доказательств того, что это объясняет природу наблюдаемого сигнала, недостаточно, но и не является дико непоследовательным. (Заслуга: коллаборация NANOGrav (А. Афзал и др.), ApJL, 2023)

Большинство из нас, когда мы представляем пространство, вероятно, делаем это так, как делал Ньютон: в виде некоторого типа трехмерной сетки. Когда на сцену вышла общая теория относительности Эйнштейна, его теория выявила три недостатка в ньютоновской картине, хотя поначалу общепризнанными были только первые два.

Рассматривать пространство как трехмерную систему с набором координат, размещенных поверх нее, было прекрасно, но выбор координат произволен, и каждый наблюдатель, находящийся в уникальном месте в нашем четырехмерном пространстве-времени и совершающий уникальное движение в этом пространстве, будет восприниматься по-разному. Не существует “абсолютных” координат, которые были бы лучше или хуже любого другого набора координат; все они относятся к каждому конкретному наблюдателю, включая то, где они находятся и как движутся.
Сама структура пространства не плоская, сетчатая и декартова, как это представлял себе пространство Ньютон. Вместо этого это пространство искривлено и может течь “в” или “из” областей Вселенной в зависимости от того, расширяется эта часть Вселенной или сжимается. Как однажды выразился один из величайших умов XX века в области общей теории относительности Джон Уилер: “пространство-время сообщает материи [и энергии], как двигаться, а материя [и энергия], в свою очередь, сообщает пространству-времени, как искривляться”.
И это наложенное поверх искривленного пространства-времени с уникальной структурой относительно каждого наблюдателя - это полный набор всех гравитационных волн, распространяющихся в пространстве-времени со скоростью света: со всех направлений. Находиться в определенной точке пространства-времени - все равно что находиться на поверхности неустойчивого океана, поскольку вы чувствуете совокупный эффект всех волн, генерируемых всеми океанскими источниками одновременно. За исключением того, что в пространстве-времени эти волны генерирует космический океан и все формы материи и энергии в нашей видимой Вселенной.

В то время как одна пара сливающихся черных дыр может создавать рябь, которая доминирует над любым фоновым сигналом на определенном наборе частот, полный набор взаимно вращающихся масс создает серию волн по всей Вселенной, которые накладываются друг на друга. Этот “космический гул” - первый сигнал гравитационной волны, когда-либо наблюдавшийся с использованием синхронизации пульсара. (Предоставлено Серджиу Бачиоиу / flickr)

На всех частотах в нашей Вселенной ощущается “гул”, создаваемый всеми гравитационными волнами, вместе взятыми. Иногда, на заключительных этапах инспирации или слияния, один конкретный голос гравитационной волны — из одной двойной системы, состоящей из двух масс — выделяется над фоновым хором, выкрикивая с нарастающей высотой, которая достигает кульминации в какофоническом “чириканье”, которое является именно тем, что земные гравитационно-волновые обсерватории, такие как LIGO, измеряют для черных дыр звездной массы и нейтронных звезд, и что космический LISA (лазерный Космическая антенна интерферометра) будет вести наблюдение за сверхмассивными черными дырами, которые поглощают другие массы, которые достаточно значительны.

Но этот “фоновый гул” присутствует на всех частотах и, что важно, создается всеми массами, вращающимися друг вокруг друга во Вселенной. Это верно для:

планеты, вращающиеся вокруг звезд,
звезды, входящие в состав многозвездных систем,
остатки звезд и их системы,
звезды и остатки звезд, движущиеся внутри галактик,
галактики, которые сливаются вместе,
и сверхмассивные черные дыры вместе со всем, что вращается вокруг них.

Основываясь на нашем лучшем современном понимании нашей Вселенной, мы можем смоделировать и рассчитать ожидаемую величину фона гравитационных волн на всех частотах. Если мы когда-нибудь достигнем соответствующих уровней чувствительности на любой такой частоте, мы сможем обнаружить существование этого фона. И если мы сможем стать еще более чувствительными, чем это, мы сможем выявить природу сигналов, вносящих свой вклад в этот фон, определяя, что на самом деле создает эти гравитационные волны, пронизывающие наш космос.

Это 68 миллисекундных пульсаров, включенных в данные наногравитации за 15 лет, с цветовой кодировкой в соответствии с наблюдаемыми частотами, обсерваториями, которые их видели, и продолжительностью наблюдений. По мере того, как все больше обсерваторий наблюдали за пульсарами, данные становились более чувствительными к любым сигналам фоновых гравитационных волн. (Заслуга: коллаборация NANOGrav (Г. Агази и др.), ApJL, 2023)

Это важная новость, объявленная коллаборацией NANOGrav, которая синтезирует данные о времени пульсаров из десятков миллисекундных пульсаров, наблюдаемых по всей Северной Америке. (Существуют и другие системы синхронизации пульсаров, включая европейскую EPTA, индийскую InPTA, китайскую CPTA, австралийскую Parkes Pulsar Timing Array, а также международные усилия, направленные на их синтез: IPTA.) За последние 15 лет NANOGrav значительно расширила свои возможности.:

увеличено количество наблюдаемых ими пульсаров с первоначальных 14 до 68 на сегодняшний день и более 80 в перспективе,
увеличилось количество телескопов и решеток телескопов, наблюдающих за этими пульсарами (за заметным исключением недавно разрушенной обсерватории Аресибо),
увеличены типы частотных диапазонов, в которых можно наблюдать каждый отдельный пульсар (в диапазоне от низкого уровня 327 МГц до высокого уровня 3,0 ГГц),
увеличено базовое время наблюдения этих пульсаров (только что опубликован их 15-летний набор данных),
и, как результат всего этого, увеличивают отношение сигнал / шум своих данных в попытке раскрыть этот фоновый гул.

Наконец-то, впервые, они добрались туда. У них достаточно высококачественных данных, чтобы увидеть убедительные доказательства существования этого фонового шума, который (согласно теории), по прогнозам, возникает на этих частотах главным образом из-за пар сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в центрах галактик после слияния.

Когда две черные дыры сливаются, значительная часть их массы может быть преобразована в энергию за один очень короткий промежуток времени. Но в течение гораздо более длительного периода времени существует более ранняя стадия, когда эти черные дыры обращаются по орбите с периодами 1-10 лет, и синхронизация пульсаров может быть чувствительной к совокупному воздействию этих систем по всему космосу. (Фото: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА)

Способ, которым они это сделали, заключался не в том, чтобы посмотреть на измерения абсолютной синхронизации любого из этих пульсаров по отдельности, а скорее в том, чтобы сопоставить данные синхронизации от всех пар пульсаров (т. Е. посмотреть на все возможные комбинации изменений синхронизации, наблюдаемых между любыми двумя пульсарами, вместе взятыми) и посмотреть, как изменялись их сигналы: по фазе или не по фазе, с положительной или отрицательной корреляцией, частотно-зависимым или частотно-независимым способом и т. Д .

Разные сигналы должны генерировать разные типы корреляций, и поэтому коллаборация NANOGrav проверила то, что они видели, что определенно выглядит как “не просто шум”, согласно данным, в сравнении с различными наборами предсказаний.

Они не видят никаких доказательств того, что эти гравитационные волны были сгенерированы в результате инфляции в начале ранней Вселенной, и это хорошо, потому что, если бы сигнал от этих гравитационных волн был настолько велик, что они проявлялись с такой чувствительностью, это бросило бы вызов тому, что мы думаем, что знаем о происхождении Вселенной.
Они не видят никаких доказательств существования экзотической физики: причудливых фазовых переходов, первичных черных дыр или космологических дефектов среди них.
Они также не видят никаких свидетельств чириканья, которое возникло бы, если бы у нас были ультрамассивные (возможно, даже слишком массивные для объяснения обычной физикой) двойные черные дыры, сливающиеся вместе.

Но даже несмотря на то, что пока нет достаточного сигнала, чтобы определить, что это за гравитационные волны, мы кое-что видим, и, похоже, это больше всего соответствует ожиданиям теоретиков сигналов: двойные сверхмассивные черные дыры.

Если фоновый “гул” гравитационных волн, о котором становится все больше свидетельств, вызван двойными сверхмассивными черными дырами, должна существовать корреляция между сигналами и углами, под которыми пульсары появляются на небе. Доказательства, подтверждающие это, довольно хороши, но не на 100% окончательны. (Заслуга: коллаборация NANOGrav (Г. Агази и др.), ApJL, 2023)

Причина, по которой данные указывают на двойные сверхмассивные черные дыры в качестве наиболее вероятного объяснения, проста: из-за того, как сгруппированы галактики, мы ожидаем, что увидим разные сигналы, поступающие с разных направлений. Итак, если существует связь между корреляциями между любыми двумя пульсарами и углами относительно нашего положения, под которыми эти два пульсара находятся в небе, это было бы наводящим на размышления доказательством интерпретации данных о сверхмассивной черной дыре. Эти доказательства существуют, но пока недостаточно значимы, чтобы претендовать на “открытие”.

Это означает, что мы должны учитывать неприятное: все еще возможно, что этот сигнал окажется случайностью. Оно еще не достигло “золотого стандарта” для открытий в физике и астрофизике: порога значимости в 5 сигм; это всего лишь около 4 сигм. Примерно 1 шанс из 10 000, что сигнал наногравитации является статистической аномалией, и что причиной этого является какой-то другой артефакт, генерирующий негравитационные волны. Но NANOGrav - не единственная совместная работа, в которой было что-то впечатляющее.

Китайская система синхронизации пульсаров CPTA объявила об обнаружении этого гравитационно-волнового фона со значением 4,6 сигма, хотя их основным ограничением является то, что у них есть данные только за 3 года.
Индийская система синхронизации пульсаров InPTA обнаружила нечто, соответствующее фоновому “гудению” гравитационных волн во Вселенной, но только со значением 3 сигмы.
Австралийская система синхронизации пульсаров Паркса не может ни подтвердить, ни опровергнуть существование такого сигнала, поскольку они видят лишь слабые (2 сигмы) свидетельства его присутствия.

Но Международная система синхронизации пульсаров в течение следующих 1-2 лет надеется объединить все наблюдения, полученные в ходе всех этих различных совместных работ. Когда это произойдет, мы, возможно, достигнем этого хваленого порога обнаружения в 5 сигм с существующими данными, которые у нас есть.

По мере увеличения количества точно наблюдаемых миллисекундных пульсаров и времени наблюдения для каждого из этих пульсаров увеличилось и отношение сигнал / шум, наблюдаемое в коллаборации NANOGrav. Поскольку эти цифры продолжают улучшаться, мы очень скоро перейдем “золотой стандарт” значимости, что приведет к возможности охарактеризовать природу этого фонового “гула” в нашей Вселенной. (Заслуга: коллаборация NANOGrav (Г. Агази и др.), ApJL, 2023)

Однако пусть ничто из этого не помешает вам оценить, насколько важен этот момент для истории науки.

Мы обнаружили существование гравитационно-волнового фона Вселенной! Несмотря на то, что нам еще предстоит охарактеризовать его природу, просто увидеть, что “это есть”, является захватывающим достижением.
Мы находимся на пути к тому, чтобы охарактеризовать его, и когда мы сможем, у нас будет второй в истории метод прямого обнаружения гравитационных волн после метода наземного лазерного интерферометра LIGO / Virgo.
И это просто за счет лучшего измерения пульсаров, с точки зрения большего количества тарелок для мониторинга пульсаров и глобального охвата этих пульсаров, позволит нам достичь этих целей.

Но это достижение также дает очень веские научные основания для того, чтобы делать больше: создавать сами более крупные и чувствительные радиотелескопы. С крушением Аресибо и возрастом Очень большого массива научные аргументы в пользу создания ngVLA: очень большого массива следующего поколения стали непреодолимыми. Национальная академия наук назвала его главным приоритетом для радиоастрономии в своем десятилетнем обзоре 2020 года, и его построение в соответствии с проектом откроет новую эру открытий для физики гравитационных волн.

Все пространство-время действительно колышется от совокупного воздействия всех существующих гравитационных волн. Впервые мы не только можем быть уверены, что видели это, но и находимся на грани того, чтобы действительно точно понять, откуда это берется.

_____________________________________