Учените са развълнувани от идващата този четвъртък голяма гравитационна вълна

В илюстрацията по-горе е показана визуализацията на гравитационните вълни, генерирани от две черни дупки.

Всяка свръхнова, всяко сливане на неутронни звезди или черни дупки, дори бързо въртящите се самотни неутронни звезди, могат или по-скоро трябва да бъдат източник на гравитационни вълни.

Дори бързата инфлация на пространството, последвала Големия взрив преди 13,8 милиарда години, би трябвало да предизвика своя собствена каскада от гравитационни вълни.

Подобно на камък, хвърлен в езеро, тези масивни събития би трябвало да предизвикат пулсации, които да се отразят в самата тъкан на пространство-времето – слаби разширения и свивания на пространството, които биха могли да бъдат открити от нас като разминавания в сигналите, които трябва да са с точно определено времетраене.

В своята съвкупност тази смесица от сигнали се комбинира, за да образува случайно или „стохастично“ трептене, известно като фон на гравитационните вълни или казано по друг начин – гравитационен вълнови фон или просто гравитационен фон. Това е едно от най-силно търсените открития в областта на астрономията на гравитационните вълни.

Има и признаци, че е възможно съвсем скоро да се стигне до развитие на тази тема, тъй като Северноамериканската нано-херцова обсерватория за гравитационни вълни (NANOGrav) организира координирано и глобално изявление на 29 юни 2023 г., четвъртък.

Тази актуализация ще хвърли светлина върху изследванията, провеждани от Международния масив за измерване на времето на пулсарите – глобален консорциум от детектори на гравитационни вълни: Северноамериканският NANOGrav; Европейският импулсен времеви масив; Индийският проект за импулсен времеви масив; и Австралийският импулсен времеви масив Parkes.

Mark your calendars and get ready for a major announcement from the NANOGrav collaboration on June 29th! #nanograv

— NANOGrav PFC (@NANOGrav) June 21, 2023

Новата линия в изследването на космоса

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

„Откриването на стохастичния фон на гравитационното излъчване може да предостави богата информация за астрофизичните изходни популации и процеси в много ранната Вселена, които не са достъпни по никакъв друг начин“, обяснява физик-теоретикът Сюзън Скот от Австралийския национален университет и Центъра за върхови постижения на ARC за откриване на гравитационни вълни.

„Така например електромагнитното излъчване не ни дава представа за Вселената преди времето на последното разсейване (около 400 000 години след Големия взрив). Гравитационните вълни обаче могат да ни дадат информация чак до самото начало на инфлацията, само ∼10^-32 секунди след Големия взрив“.

За да разберем значението на гравитационния фон, трябва да поговорим малко за друг реликт от Големия взрив: космическия микровълнов фон, или CMB (cosmic microwave background).

Миг след като нашата Вселена започва да пулсира и пространството се охлажда, бълбукащата пяна, която е била всичко, се сгъстява в непрозрачна супа от субатомни частици под формата на йонизирана плазма.

Всяко лъчение, което се появява с него, се разпръсква, което не му позволява да измине по-голямо разстояние. Едва когато тези субатомни частици се рекомбинират в атоми – епоха, известна като Епохата на рекомбинацията – светлината започва да се движи свободно из Вселената и по-нататък през епохите.

Първият светкавичен изблик на светлина е избухнал в пространството около 380 000 години след Големия взрив и тъй като през следващите милиарди години Вселената е растяла и се е разраствала, тази светлина се е вмъкнала във всяко кътче. Тя е навсякъде около нас и днес. Това лъчение е изключително слабо, но лесно се открива, особено в микровълновите вълни. Това е CMB, първата светлина във Вселената.

Неравномерностите в тази светлина, наречени анизотропии, са причинени от малките температурни колебания, представени от тази първична светлина. Трудно е да се оцени колко феноменално е нейното откритие: CMB е една от малкото проби, с които разполагаме за състоянието на ранната Вселена.

Откриването на гравитационния вълнови фон би било великолепно повторение на това постижение.

„Очакваме откриването и анализът на гравитационно-вълновия фон да направи революция в разбирането ни за Вселената“, казва Скот, „по същия начин, по който за първи път бе открито космическото микровълново фоново излъчване и неговите анизотропии“.

Вихърът след Големия взрив

Първото регистриране на гравитационни вълни беше направено съвсем неотдавна, през 2015 г.

Две черни дупки, които са се сблъскали преди около 1,4 милиарда години, са изпратили вълни, разпространяващи се със скоростта на светлината; на Земята тези разширения и свивания на пространство-времето съвсем слабо активираха инструмента, проектиран и усъвършенстван в продължение на десетилетия, в очакване да открие точно такова събитие.

Това бе монументално откритие по няколко причини. То за първи път ни даде пряко потвърждение за съществуването на черни дупки.

То потвърди прогнозата на Общата теория на относителността, направена 100 години по-рано, че гравитационните вълни са реални.

Това означаваше, че този инструмент, интерферометърът на гравитационни вълни, върху който учените работеха от години, ще направи революция в разбирането ни за черните дупки.

Така и стана. До днес интерферометрите LIGO и Virgo са засекли близо 100 събития с гравитационни вълни: достатъчно силни, за да се получи отчетлив сигнал, който много добре се различава на фона на съществуващите шумове.

Тези интерферометри използват лазери, които излъчват светлина в специални тунели с дължина няколко километра. Тези лазери се влияят от разтягането и свиването на пространство-времето, предизвикано от гравитационните вълни, като генерират интерферентна картина, от която учените могат да направят извод за свойствата на компактните обекти, генериращи мощните гравитационни сигнали.

Но гравитационният фон е друго явление и е съвсем различен.

„Астрофизичният фон се създава от смесения шум на много слаби, независими и неразкрити астрофизични източници“, казва Скот.

„Нашите наземни детектори на гравитационни вълни LIGO и Virgo вече са засекли гравитационни вълни от десетки отделни сливания на двойки черни дупки, но астрофизичният фон от сливанията на двойни черни дупки със звездна маса се очаква да бъде ключов източник на GWB (гравитационни вълни) за сегашното поколение детектори. Знаем, че има голям брой подобни сливания, които не могат да бъдат разпознати поотделно, и те заедно създават съвкупност от случайни шумове в детекторите“.

Скоростта, с която бинарните черни дупки се сблъскват във Вселената, е неизвестна, но темповете, с които можем да ги открием, ни дават отправна точка, от която можем да направим приблизителна оценка.

Учените считат, че става дума за около едно сливане на минута и няколко на час, като регистрираният сигнал на всяко от тях трае само част от секундата. Тези индивидуални, случайни сигнали вероятно биха били твърде слаби, за да бъдат открити, но биха се комбинирали, за да създадат статичен фонов шум; астрофизиците го сравняват със звука от пукащи се пуканки.

Това би бил източникът на стохастичен сигнал на гравитационните вълни, който бихме могли да очакваме да открием с инструменти като интерферометрите LIGO и Virgo. В момента тези инструменти са в процес на профилактика и подготовка и към тях ще се присъедини трета обсерватория, KAGRA в Япония, в ново наблюдение през март 2023 г. Не е изключено това сътрудничество да открие „пуканковите“ сигнали на гравитационните вълни.

Това обаче 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.

Тя се базира на същата технология като LIGO и Virgo, но с „рамена“, дълги 2,5 милиона километра. Тя ще работи в много по-нискочестотен диапазон в сравнение с LIGO и Virgo и следователно ще открива различни видове събития, свързани с гравитационните вълни.

„GWB невинаги прилича на попкорн“, казва Скот пред ScienceAlert.

„Той може да се състои и от отделни детерминирани сигнали, които се припокриват във времето, създавайки смесен шум, подобен на фоновите разговори по време на парти. Пример за такъв шум е гравитационното излъчване, генерирано от галактическата популация от компактни двойни двойки бели джуджета. Това ще бъде важен източник на смесен шум за LISA. В този случай стохастичният сигнал ще е толкова силен, че ще излезе на преден план и ще действа като допълнителен източник на шум при опитите за откриване на други слаби сигнали на гравитационните вълни в същия честотен диапазон“.

LISA теоретично може да открие и космологични източници на фона на гравитационните вълни, като например космическата инфлация непосредствено след Големия взрив или космическите струни – теоретични пукнатини във Вселената, които биха могли да се образуват в края на инфлацията, губейки енергия чрез образуването на гравитационни вълни.

Пулсът на космоса

Има също така една огромна обсерватория за гравитационни вълни от галактически мащаб, която учените проучват, за да търсят намеци за гравитационния фон: времевите матрици на пулсарите. Пулсарите са вид неутронни звезди – останки от някогашни масивни звезди, които са загинали в грандиозна свръхнова, оставяйки след себе си само плътно ядро.

Пулсарите се въртят по такъв начин, че излъчваните от полюсите им радиоимпулси осветяват Земята, подобно на космически фар; някои от тях го правят на невероятно точни интервали, което е полезно за редица приложения, като например навигацията.

На теория обаче разтягането и свиването на пространство-времето би трябвало да доведе до малки отклонения във времето на проблясъците на пулсарите.

Един пулсар, който показва леки несъответствия във времето, може да не означава много, но ако няколко пулсара показват корелирани несъответствия във времето, това може да е показателно за гравитационни вълни, генерирани от ултрамасивни черни дупки.

Учените са открили любопитни признаци за този източник на фона на гравитационните вълни в масивите за измерване на времето на пулсарите, но все още не разполагаме с достатъчно данни, за да определим дали това наистина е така.

Но това може да се промени с последната актуализация този четвъртък, 29-ти юни 2023 г.

Намираме се толкова примамливо близо до откриването на гравитационния фон: астрофизичният фон, разкриващ поведението на черните дупки във Вселената; и космологичният фон, което може да стане на базата на квантовите флуктуации, наблюдавани в CMB, инфлацията, самият Голям взрив.

Скот казва, че това е нещо като хипотетичният Бял кит – този, който ще видим едва след трудната работа по разделянето на фона на отделните гравитационни източници, които съставляват този фонов шум.

„Макар с нетърпение да очакваме богата информация, която ще получим от откриването на астрофизично създадения фон, наблюдението на гравитационните вълни от Големия взрив е наистина крайната цел на астрономията на гравитационните вълни“, казва още тя.