Учен разработи метод за търсене на гравитационни вълни с помощта на квазари

Представете си океана. Не земно, а космическо — безгранично пространство-време. И в този океан вълните непрекъснато се разпространяват, невидими, но невероятно силни. Това са гравитационни вълни, вълнички в самата тъкан на Вселената, генерирани от колосални събития като сливането на свръхмасивни черни дупки. Тези вълни носят информация за фундаменталните закони на природата и най-грандиозните космически катаклизми. Така че учените търсят нови, по-фини начини да чуят този космически шум.

Астрофизикът Джереми Дарлинг от Университета на Колорадо в Боулдър се е заел с амбициозна задача: той разработва фундаментално нов метод за измерване на така наречения гравитационен вълнов фон. Това не са изолираните изблици от специфични сливания, които детектори като LIGO и Virgo улавят, а постоянно бръмчене, ехо от безброй събития, случили се през цялата история на Вселената. Да уловиш този фон е като да чуеш тих шепот на фона на рева на стадион. Но защо е толкова важно?

Какво представляват гравитационните вълни и защо са толкова трудни за улавяне?

Нека да уточним: гравитационните вълни не са светлина или радиосигнали. Това е изкривяване на самото пространство-време. Когато два гигантски обекта, като черни дупки или неутронни звезди, обикалят един около друг и се сливат, те буквално „разтърсват“ пространството, изпращайки вълни във всички посоки, които разтягат и смазват всичко по пътя си. Включително и нашата Земя.

Проблемът е, че тези изкривявания са невероятно малки. Дори мощните вълни от сливания на черни дупки, регистрирани от LIGO/Virgo, променят разстоянието между огледалата на детектора със стойност хиляди пъти по-малка от диаметъра на протон! А фоновите гравитационни вълни, които Дарлинг търси, са още по-слаби и имат много дълга дължина на вълната, преминавайки покрай нас в продължение на години и десетилетия. Можете ли да си представите прецизността, необходима за откриването им?

Наскоро сътрудничеството с NANOGrav (Северноамериканска нанохерцова гравитационно-вълнова обсерватория) вече постигна удивителен успех. Те са използвали пулсари —- бързо въртящи се неутронни звезди, които излъчват радиоимпулси с удивителна редовност: един вид „космически часовник“. Чрез наблюдение на фините промени в пристигането на тези импулси, учените успяха да открият как фоновите гравитационни вълни разтягат и смазват пространството по линията ни на видимост към тези пулсари. Това е като морските вълни, идващи към брега — право към теб.

Пулсари срещу квазари: Два погледа върху една и съща пулсация

Но Джереми Дарлинг има и различен въпрос. Гравитационните вълни се разпространяват в три измерения. Те не само разтягат и свиват пространството към нас и от нас, но също така трябва да причиняват напречни измествания. Представете си вълните в морето: те не само повдигат и спускат буя (аналогично на разтягане и свиване), но и могат да го преместят леко надясно и наляво, успоредно на брега. Именно този „страничен“ ефект Дарлинг иска да улови.

И за това той избра други небесни обекти – квазарите. Какво се е случило? Това са невероятно ярки активни ядра на далечни галактики, в центъра на които се намират свръхмасивни черни дупки, активно абсорбиращи материя. Квазарите са едни от най-отдалечените и най-ярки обекти във Вселената, което ги прави идеални „маяци“.

Каква е идеята? Когато гравитационна вълна преминава между нас и далечен квазар, тя леко огъва пътя на светлината от него. Нещо като потрепване (поне не толкова бързо и хаотично), всичко е свързано с гравитационната вълна, която изкривява видимото им положение.

Танцуващите квазари и космическият владетел

Звучи интригуващо, нали? Но тук се натъкваме на основната трудност —- астрометрията, науката за измерване на позициите и движенията на небесните тела. Измерването на това „трептене“ на квазарите е задача с огромна сложност. Става дума за корекции, които са толкова малки, че измерването им изисква точност, еквивалентна на наблюдението от Земята на растежа на нокът на човек, стоящ на Луната! Десет пъти по-точно от посоченото в оригиналната статия за илюстриране на ефекта.

Освен това, самата Земя не е статична обсерватория. Върти се около Слънцето със скорост от около 30 км/сек, а Слънчевата система се движи около центъра на Галактиката със скорост над 200 км/сек. Цялото това движение създава видими елиминации на отдалечени обекти в небето (паралакс, светлинна аберация), които по някакъв начин трябва да бъдат отделени от желания ефект на гравитационните вълни. Все едно да се опитваш да измериш вибрациите на прелитаща муха, докато стоиш на палубата на кораб по време на буря.

Как Дарлинг подхожда към решението? Той използва данни от космическия телескоп Gaia на Европейската космическа агенция, за да измери позициите и движенията на милиарди звезди и стотици хиляди квазари с безпрецедентна прецизност. Гравитационните вълни, идващи от различни посоки, ще ги накарат да „треперят“ по различен начин. Чрез сравняване на движенията по двойки и средната стойност за огромен брой такива двойки, може да се опита да се изолира слаб сигнал от гравитационни вълни.

Чакане на данни: Какво следва?

В момента резултатите на Дарлинг все още не ни позволяват ясно да заявим, че този „напречен“ ефект на гравитационните вълни е открит. Все още няма достатъчно данни, за да се отдели желаният сигнал от шума и грешките в измерването. Но това е само началото на едно дълго пътешествие.

Ключовият момент ще бъде следващото публикуване на данни от мисията Gaia, очаквано през 2026 г. То ще съдържа наблюдения за по-дълъг период — около 8,5 години, в сравнение с около 3 години в каталога, който се използва в момента. „Танци“ на далечни квазари.

Защо е необходимо всичко това? Измерването на гравитационния вълнов фон с помощта на различни методи (чрез пулсари и квазари) ще ни даде триизмерна картина на това явление. Чрез сравняване на резултатите ще бъде възможно да се тестват на ново ниво предсказанията на различни теории за гравитацията, включително и общата теория на относителността на Айнщайн. Разбирането на свойствата на този фон ще ни помогне да разберем по-добре историята на сливанията на свръхмасивни черни дупки и следователно еволюционната история на самите галактики. По същество това е още една стъпка към разбирането на най-фундаменталните механизми, които управляват нашата Вселена.

Докато ние живеем обикновения си живот, някъде там, в дълбините на космоса, квазарите продължават своя едва забележим танц под музиката на гравитационните вълни. И астрофизиците, въоръжени с невероятно прецизни инструменти и гениални методи, упорито се опитват да уловят тази космическа мелодия. Кой знае какви тайни ще ни разкрие?