Сама тканина космосу постійно розхитується і зминається навколо нас, як стверджують численні міжнародні групи вчених, які незалежно один від одного знайшли переконливі докази існування давно теоретизованих хвиль простору-часу.
Заява про те, що телескопи по всій планеті побачили ознаки “гравітаційного хвильового фону”, сколихнула астрофізичну спільноту, яка вже кілька днів гуде в очікуванні документів, що були оприлюднені в середу пізно ввечері. Це відкриття, схоже, підтверджує дивовижний наслідок загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, який до цього часу був надто тонким, щоб його можна було виявити.
У переосмисленому всесвіті Ейнштейна простір не є безтурботно порожнім, а час не рухається плавно вперед. Натомість потужна гравітаційна взаємодія масивних об’єктів – в тому числі надмасивних чорних дір – регулярно розхитує тканину простору і часу. Виникає картина Всесвіту, схожого на неспокійне море, розбурхане бурхливими подіями, що відбувалися протягом останніх 13 з гаком мільярдів років.
Гравітаційний хвильовий фон, як його описують астрофізики, не чинить жодного тиску на повсякденне людське існування. Тут немає ніякого відкриття для схуднення. Бурління гравітаційних хвиль не може пояснити, чому іноді ви відчуваєте себе не у своїй тарілці. Але вона пропонує потенційне розуміння фізичної реальності, в якій ми всі живемо.
“Те, що ми вимірюємо, – це Земля, яка рухається в цьому морі. Вона хитається – і не просто вгору-вниз, вона хитається в усіх напрямках”, – каже Майкл Лам, астрофізик з Інституту SETI та член Північноамериканської наногерцової обсерваторії гравітаційних хвиль (NANOGrav), команди, яка здебільшого базується в Північній Америці. Команда NANOGrav опублікувала результати своїх досліджень у п’яти статтях, які були опубліковані в середу в журналі Astrophysical Journal Letters.
Команди з Європи, Індії, Австралії та Китаю також спостерігали це явище і планували опублікувати свої дослідження одночасно. Одночасна публікація робіт від віддалених і конкуруючих команд, які використовували схожу методологію, відбулася лише після певної наукової дипломатії, яка гарантувала, що жодна група не спробує перехопити ініціативу у решти астрофізичної спільноти.
“Останні 15 років ми працювали над тим, щоб знайти низькочастотний гул гравітаційних хвиль, що лунають у Всесвіті та пронизують нашу галактику, викривляючи простір-час у вимірний спосіб”, – заявив на брифінгу у вівторок голова NANOGrav Стівен Тейлор з Університету Вандербільта.
Цей подвиг ґрунтується на попередніх відкриттях невидимих неозброєним оком об’єктів у Всесвіті – пульсарів. Пульсар – це тип нейтронної зорі, надщільний залишок мертвої зорі. Його називають пульсаром, тому що він швидко обертається, сотні обертів на секунду, і випромінює радіохвилі в постійному імпульсі. Пульсари були відкриті лише в 1960-х роках, невдовзі після винаходу великих радіотелескопів.
NANOGrav зібрав дані з 68 пульсарів за допомогою телескопа Грін Бенк у сільській місцевості Західної Вірджинії, 27 телескопів Дуже великого радіотелескопа ім. Карла Г. Янського в Нью-Мексико та нині неіснуючої обсерваторії Аресібо в Пуерто-Рико.
Імпульси від цих химерних об’єктів досягають телескопів на Землі з такою передбачуваною частотою, що вони слугують космічним годинником, майже таким же точним, як і найсучасніші атомні годинники, каже К’яра Мінгареллі, астрофізик з Єльського університету і член команди NANOGrav.
Теоретики вважали, що низькочастотні гравітаційні хвилі можуть збивати надходження сигналів пульсарів. Такі низькочастотні брижі можуть мати гребені, розділені роками, тому пошук ледь помітних хвиль у морі простору-часу вимагав терпіння. Відхилення в даних пульсарів настільки незначні, що знадобилося 15 років спостережень, щоб отримати переконливі докази існування цих гравітаційних хвиль, сказав Мінгареллі.
Команда NANOGrav раніше публікувала звіти з попередніми припущеннями про існування фону, але заявляла, що потрібно більше часу, щоб підвищити впевненість у тому, що сигнал є реальним, а не просто шумом.
“Навіть розробка експерименту була величезним розумовим стрибком”, – сказав Мінгареллі.
Існування гравітаційних хвиль не викликає сумнівів. У 2016 році вчені оголосили, що їхній амбітний чотирирічний експеримент під назвою LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) виявив хвилі від злиття двох чорних дір. Але нещодавно оголошені хвилі – це не одномоментне диво, і теоретики пропонують безліч потенційних пояснень того, чому космічне море хвилюється таким чином.
Надмасивні чорні діри є найпопулярнішим поясненням.
Більшість галактик є домом для надмасивних чорних дір у центральній частині або поблизу неї. Ці чорні діри, безумовно, заслуговують на назву “надмасивні”: Вони зазвичай мають масу, еквівалентну мільйонам або навіть мільярдам сонць. На відміну від них, чорні діри “зоряної маси” – крихітні, з масами, подібними до 10, 20 чи 30 сонць.
Галактики рідко стикаються, але всесвіт величезний, у ньому багато мільярдів галактик, і вони мали достатньо часу, щоб дрейфувати одна в одну. Теоретики кажуть, що під час галактичного зіткнення надмасивні чорні діри в ядрах двох галактик спочатку виконають гравітаційний танець. За словами Лама, вони можуть обертатися одна навколо одної мільйони років. Така пара відома як бінарна надмасивна чорна діра.
Закручений танець достатньо порушує тканину простору-часу, щоб генерувати дуже низькочастотні гравітаційні хвилі, які подорожують Всесвітом зі швидкістю світла, вважають вчені. З часом енергія витікає з танцювальної вечірки, і надмасивні чорні діри зближуються, а їхній орбітальний період скорочується до кількох десятиліть. У цей момент довжина хвиль починає досягати частот, які можна виявити за допомогою NANOGRAV, сказав Лам.
“Отже, на даному етапі наших вимірювань ми не можемо точно сказати, які джерела виробляють гравітаційний хвильовий фоновий сигнал”, – сказав член команди NANOGrav Люк Келлі, астрофізик з Каліфорнійського університету в Берклі, на пресбрифінгу у вівторок. Однак, за його словами, дані переконливо збігаються з теоретичними прогнозами.
Теоретики “розважаються”, придумуючи інші можливі джерела низькочастотного сигналу, додав він. Але “якщо він не походить від надмасивних подвійних чорних дір, нам потрібно буде придумати якесь пояснення, де ховаються ці надмасивні чорні діри, і чому ми не бачимо їхніх гравітаційних хвиль”.
Незалежно від джерела сигналу, відкриття гравітаційного хвильового фону є важливою віхою в зароджуваній галузі гравітаційно-хвильової астрономії.
Подібно до того, як деякі астрономи використовують різні довжини хвиль світла для дослідження космосу, тепер вони можуть шукати різні типи гравітаційних хвиль. Низькочастотні хвилі, про які було оголошено в середу, не можуть бути виявлені LIGO, і навпаки: NANOGrav і подібні зусилля з використанням пульсарів не змогли виявити високочастотні хвилі від неймовірно сильних злиттів чорних дір зоряної маси, які бачив LIGO.
За словами Лама, наступна мета полягає в тому, щоб поєднати специфічні гравітаційні хвилі з потенційними надмасивними подвійними чорними дірами, виявленими за допомогою більш традиційних форм астрономії. Іншими словами, замість того, щоб просто говорити, що ми фіксуємо ознаки багатьох хвиль, астрономи можуть сказати, що ця конкретна хвиля прийшла ось звідти, з того місця.
Ця заява є відлунням іншої важливої віхи в історії космології. У 1965 році двоє фізиків з Лабораторії Белла повідомили, що виявили сигнал чогось, що раніше теоретично передбачалося: космічне мікрохвильове фонове випромінювання. Це залишкове світіння стало важливим доказом того, що Всесвіт був створений Великим вибухом.
Мора Маклафлін, співдиректор Центру фізичних кордонів NANOGrav, заявила на брифінгу у вівторок, що наступним кроком міжнародні команди об’єднають свої незалежні дані в один “uber data set”, який повинен показати ще чіткіший сигнал гравітаційного хвильового фону – і, можливо, навіть перше виявлення надмасивної бінарної чорної діри.
“Ми відкриваємо абсолютно нове вікно … у всесвіт гравітаційних хвиль”, – сказала вона.
За її словами, робота повинна запропонувати глибше розуміння того, як формуються і розвиваються галактики. Вона може навіть відкрити нову екзотичну фізику, яка змінить наше фундаментальне розуміння космосу: “Це має бути дуже, дуже захоплююче”.
Читайте також: