Първото доказателство за съществуването на гравитационен фонов шум

През 1916 г. германският учен Алберт Айнщайн за първи път предполага съществуването на по-различни вълни, наречени по-късно гравитационни вълни. Според неговата обща теория на относителността те трябва да са се породили по време на мощни космически събития, като следствие от изкривяването на пространствено-времевия континуум, което настъпва при наличието на маса.

100 години по-късно, на 11-ти февруари 2016 г., екипите на LIGO и Virgo обявиха първото директно откриване и наблюдение на гравитационни вълни, което се осъществи през месец септември 2015 г. Сблъсъкът на две черни дупки предизвика пулсации в тъканта на пространство-времето. Тези пулсации достигнаха до нас във вид на гравитационни вълни и бяха регистрирани от двата инструмента.

Сега, на 29-ти юни 2023 г. North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) обяви първото директно откриване на стохастичен гравитационно-вълнов фон (GWB). Откритието е направено с помощта на данни от наблюденията на 68 пулсара, събирани в продължение на 15 години. Точният произход на този фонов сигнал все още не е установен и изисква допълнителни наблюдения.

Какво всъщност е стохастичният гравитационно-вълнови фон

Стохастичният (случайният) гравитационно-вълнови фон е съвкупност от сигнали от различни космически източници, разпределени във Вселената. За разлика от гравитационните вълни, генерирани от единични, добре дефинирани събития, като сливане на черни дупки или експлозии на свръхнови, стохастичният фон се състои от „шума“ на много различни източници.

Този стохастичен фон, който е действителният фонов шум на Вселената, изглежда като непрекъснат сигнал. Всъщност гравитационните вълни, които го съставляват, се припокриват и комбинират, за да създадат смес от сигнали, чиито потенциални източници са например сумата от вълните, генерирани от сливането на множество свръхмасивни черни дупки във Вселената, или гравитационните вълни, генерирани в първичната епоха малко след Големия взрив.

Досега откриването им бе невъзможно. Нискочестотните гравитационни вълни създават толкова малки смущения, че не могат да бъдат засечени от инструменти като LIGO и Virgo. А дори и да бъдат открити, има много външни фактори, които внасят фонов шум в измерванията, и отстраняването им е сложна задача, изискваща много сложни технологии и техники за анализ на данните. Освен това е необходимо да има голямо количество данни, събрани за дълъг период от време.

Как бе разкрито това?

Доказателствата за стохастичния фон, обявен от NANOGrav, бяха открити с помощта на метода PTA (Pulsar Timing Array). Това е метод, използван за откриване на нискочестотни гравитационни вълни въз основа на наблюдения на пулсари – силно намагнетизирани неутронни звезди, които излъчват периодични радиоимпулси.

Тези импулси, които са толкова прецизни, че се считат за „космически часовници“, могат да бъдат регистрирани от радиотелескопите на Земята във вид на радиосигнали. Учените прецизно измерват времето на пристигане на сигналите и го сравняват със стабилен еталонен часовник.

Ако гравитационна вълна премине през пространството между Земята и пулсара, нейното разпространение оказва влияние върху времето на пристигане на сигналите от пулсара до Земята. Гравитационната вълна по същество предизвиква малка деформация на пространство-времето, която води до забавяне или ускоряване на времето на пристигане на въпросните сигнали.

Сравнявайки времето на пристигане на сигналите от различните пулсари и изучавайки корелациите между тях, е възможно да се определи сигнатурата на гравитационна вълна, преминаваща през група от пулсари. Необходими са сложни методи за анализ на данните за времето на пристигане на сигналите от пулсарите и за търсене на кохерентни сигнали, показващи наличието на гравитационни вълни.

Това включва коригиране на нежелани променливи, като атмосферни ефекти и инструментален шум, за да се определят с много голяма точност времевите отклонения, причинени от гравитационните вълни.

Методът PTA е особено чувствителен към нискочестотните гравитационни вълни, включително тези, генерирани от космически събития като сливането на свръхмасивни черни дупки. Използвайки наблюденията на мрежа от пулсари, разпръснати по небето, изследователите търсят кохерентни сигнали и корелации във времевите данни, за да открият наличието на гравитационни вълни.

Какви биха могли да бъдат източниците?

Въпреки че NANOGrav предостави първите убедителни доказателства за съществуването на стохастичен гравитационен вълнови фон в ниския честотен диапазон, произходът на този фон все още е неизвестен. Като цяло източниците могат да бъдат както астрофизични, т.е. сблъсъци на много масивни небесни обекти, така и космологични, т.е. от механизми, ефекти и явления, които се отнасят към първичната Вселена и периода на космическата инфлация.

В едно от публикуваните изследвания се разглеждат различни космологични източници и се сравняват с астрофизичния сигнал, генериран от популация от свръхмасивни двойни черни дупки, в опит да се потвърди или отхвърли възможността те да са източник. Получените резултати обаче са недостатъчни за точно определяне, а анализът не отчита пълния диапазон от неопределености на космологичните и астрофизичните сигнали.

Затова са важни бъдещите анализи, целящи по-подробно характеризиране на така наречения „спектър на мощността“ на сигнала и фокусирани върху наблюдението на анизотропията – вариациите в сигнала, които могат да помогнат да се направи разграничение между астрофизичен и космологичен произход. За да се разбере по-добре интерпретацията на сигнала, е необходимо също така да се определят моделите, които прецизно възпроизвеждат наблюдаваните параметри и отчитат възможните вариации, произтичащи от съобразяването с тъмната материя.

Какво означава това откритие?

Първото успешно откриване на стохастичния гравитационен фон има важни отражения в няколко области. На първо място, това е още едно потвърждение на общата теория на относителността на Айнщайн. Освен това стохастичният фон съдържа ценна информация за ранната Вселена.

Откриването на този сигнал ни позволява да изследваме началните параметри на Вселената, включително нейния размер, плътност и естеството на фундаменталните взаимодействия в ранните етапи на космическата еволюция. Фазите, в които (някъде и от някакъв обект) са били генерирани тези гравитационни вълни.

Очевидно е, че ако успеем да проследим източниците на тези вълни, ще получим информация за различните астрофизични обекти, които допринасят за този гравитационен фонов шум. Това може да ни помогне да разберем по-добре формирането и еволюцията на галактиките, сливането на черните дупки и неутронните звезди, както и високоенергийните астрофизични процеси, които пораждат гравитационни вълни.

По принцип се счита, че откриването на фоновото излъчване на гравитационните вълни, както преди това  подобно на откриването на космическия микровълнов фон, който сега най-подробно се проучва, ще промени разбирането ни за Вселената и нейната еволюция като цяло.

Но ние говорим и за една съвсем нова физика, за нов начин за изследване на цялата Вселена, отвъд класическия начин на улавяне на светлината. А може би сме открили и нов източник на информация за физични теории отвъд общата теория на относителността, като квантовата гравитация и природата на тъмната материя.

Да не забравяме, че това не са единствените инструменти  в комплекта за изследване на гравитационните вълни. И други инструменти ще могат да откриват други източници на гравитационния вълнов фон. Един такъв инструмент, до появата на който остават още 15 години, е Лазерната интерферометрична космическа антена (LISA), която трябва да бъде стартирана през 2037 г.