В сяка свръхнова, всяко сливане между неутронни звезди или черни дупки, дори бързо въртящите се самотни неутронни звезди, могат да бъдат източник на гравитационни вълни. Смята се, че разработка точно по този въпрос може да разкрие повече информация по темата. Тя е дело на Северноамериканската нано-херцова обсерватория за гравитационни вълни (NANOGrav), която организира координирано и глобално събитие, на което ще обяви откритията си на 29 юни 2023 г., четвъртък.
Актуализацията 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 пулсарен времеви масив; Индийският проект за пулсарен времеви масив; и Австралийският пулсарен времеви масив Parkes.
Новата граница в изследването на Космоса
Смята се, че откриването на фона на гравитационните вълни, както преди това откриването на космическия микровълнов фон (и продължава да го прави), ще разчупи разбирането ни за Вселената и нейната еволюция.
"Откриването на стохастичен фон на гравитационното излъчване може да предостави богата информация за астрофизичните изходни популации и процеси в много ранната Вселена, която не е достъпна по никакъв друг начин", обяснява физик-теоретикът Сюзън Скот от Австралийския национален университет и Центъра за високи постижения за откриване на гравитационни вълни ARC.
"Например електромагнитното излъчване не дава представа за Вселената по-рано от времето на последното разсейване (около 400 000 години след Големия взрив). Гравитационните вълни обаче могат да ни дадат информация чак до началото на инфлацията, само ∼10-32 секунди след Големия взрив."
A Big Gravitational Wave Announcement Is Coming Thursday. Here's Why We're Excited https://t.co/kirLu1StVl
— ScienceAlert (@ScienceAlert) June 26, 2023
За да разберем значението на фона на гравитационните вълни, би трябвало да поговорим малко за друг реликт от Големия взрив: космическия микровълнов фон, или CMB.
Мигове след като нашата Вселена започнала да тиктака и пространството започнало да се охлажда, бълбукащата пяна, която била всичко, се сгъстила в непрозрачна супа от субатомни частици под формата на йонизирана плазма.
Всяко лъчение, което се е появило заедно с нея, е било разпръснато, което е попречило да се достигне по-голямо разстояние. Едва след като тези субатомни частици се рекомбинираха в атоми - епоха, известна като Епоха на рекомбинацията - светлината можеше да се движи свободно из Вселената и надолу през епохите.
Първият светкавичен изблик на светлина избухнал в пространството около 380 000 години след Големия взрив и тъй като през следващите милиарди години Вселената растяла и се разраствала, тази светлина се увличала във всяко кътче. Тя е навсякъде около нас и днес. Това лъчение е изключително слабо, но се открива, особено в микровълновите вълни. Това е CMB, първата светлина във Вселената.
Неравномерностите в тази светлина, наричани анизотропии, са причинени от малки температурни колебания, представени от тази първа светлина. Трудно е да се преувеличи колко феноменално е нейното откритие: CMB е една от единствените сонди, с които разполагаме за състоянието на ранната Вселена.
Откриването на фона на гравитационните вълни би било великолепно повторение на това постижение.
"Очакваме откриването и анализът на фона на гравитационните вълни да направи революция в разбирането ни за Вселената", казва Скот, "по същия начин, по който пионерско беше наблюдението на космическия микровълнов фон и неговите анизотропии."
Шумът отвъд бум-катастрофата
Първото откриване на гравитационни вълни беше направено съвсем скоро, през 2015 г.
Две черни дупки, които се сблъскаха преди около 1,4 милиарда години, изпратиха вълни, разпространяващи се със скоростта на светлината; на Земята тези разширения и свивания на пространство-времето много слабо задействаха инструмент, проектиран и усъвършенстван в продължение на десетилетия, в очакване да открие точно такова събитие.
Откритието е монументално по няколко причини. За първи път ни даде пряко потвърждение за съществуването на черни дупки. То потвърди предсказанието, направено от Общата теория на относителността 100 години по-рано, че гравитационните вълни са реални.
И означава, че този инструмент, интерферометърът за гравитационни вълни, върху който учените работеха от години, ще направи революция в разбирането ни за черните дупки.
И това се случи. Досега интерферометрите LIGO и Virgo са засекли близо 100 събития с гравитационни вълни: достатъчно силни, за да създадат забележим сигнал в данните.
Тези интерферометри използват лазери, които светят в специални тунели с дължина няколко километра. Тези лазери се влияят от разтягането и притискането на пространство-времето, предизвикано от гравитационните вълни, като генерират интерференчна картина, от която учените могат да направят извод за свойствата на компактните обекти, генериращи сигналите.
Но фонът на гравитационните вълни е друго явление.
"Астрофизичният фон се създава от объркания шум на много слаби, независими и неразрешени астрофизични източници", казва Скот.
"Нашите наземни детектори на гравитационни вълни LIGO и Virgo вече са засекли гравитационни вълни от десетки отделни сливания на двойка черни дупки, но астрофизичният фон от сливания на двойни черни дупки със звездна маса се очаква да бъде ключов източник на ГВВ за сегашното поколение детектори. Знаем, че има голям брой такива сливания, които не могат да бъдат разрешени поотделно, и заедно те произвеждат шумове от случаен шум в детекторите."
Скоростта, с която бинарните черни дупки се сблъскват във Вселената, е неизвестна, но скоростта, с която можем да ги открием, ни дава отправна точка, от която можем да направим оценка.
Учените смятат, че става дума за около едно сливане на минута и няколко на час, като откриваемият 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 пукане на пуканки.
Това би бил източникът на стохастичен сигнал на гравитационни вълни, който бихме могли да очакваме да открием с инструменти като интерферометрите LIGO и Virgo. В момента тези инструменти са в процес на поддръжка 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 пуканковия GWB.
Това обаче не са единствените инструменти в комплекта на гравитационните вълни. И други инструменти ще могат да откриват други източници на гравитационния вълнови фон. Един такъв инструмент, до който остават още 15 години, е Лазерната интерферометрична космическа антена (LISA), която ще бъде изстреляна през 2037 г.
Тя се основава на същата технология като LIGO и Virgo, но с "рамена", дълги 2,5 милиона километра. Тя ще работи в много по-нискочестотен режим от LIGO и Virgo и следователно ще открива различни видове събития с гравитационни вълни.
"Той може да се състои и от отделни детерминирани сигнали, които се припокриват във времето, създавайки объркан шум, подобен на фоновите разговори на парти. Пример за объркващ шум е гравитационното излъчване, произвеждано от галактическата популация от компактни двойни двойки бели джуджета. Това ще бъде важен източник на объркващ шум за LISA. В този случай стохастичният сигнал е толкова силен, че се превръща в преден план, действайки като допълнителен източник на шум при опитите за откриване на други слаби сигнали на гравитационни вълни в същия честотен диапазон."
LISA теоретично би могла да открие и космологични източници на гравитационния вълнови фон, като например космическа инфлация непосредствено след Големия взрив или космически струни - теоретични пукнатини във Вселената, които биха могли да се образуват в края на инфлацията, губейки енергия чрез гравитационните вълни.
Определяне на времето на пулса на Космоса
Съществува и една огромна обсерватория за гравитационни вълни от галактически мащаб, която учените проучват, за да търсят намеци за гравитационния вълнови фон: масивите за измерване на времето 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 лъчите на радиоизлъчване от техните полюси преминават покрай Земята, подобно на космически фар; някои от тях го правят на невероятно точни интервали, което е полезно за редица приложения, като например навигацията.
Но теоретично разтягането и свиването на пространство-времето би трябвало да доведе до малки нередности 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, произведени от вдъхновяващи свръхмасивни черни дупки.
Учените са открили дразнещи намеци 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 случаят е такъв.
Въпреки че това може да се промени с последната актуализация в четвъртък, 29 юни 2023 г.
Стоим толкова примамливо близо до откриването на фона на гравитационните вълни: астрофизичния фон, разкриващ поведението на черните дупки във Вселената; и космологичния фон - квантовите флуктуации, наблюдавани в CMB, инфлацията, самия Голям взрив.
Това, казва Скот, е белият кит: този, който ще видим само след трудната работа по разделянето на фона на отделни източници, които съставляват шумното цяло.
"Макар да очакваме с нетърпение да получим богата информация от откриването на астрофизично създаден фон, наблюдението на гравитационни вълни от Големия взрив е наистина крайната цел на астрономията на гравитационните вълни", казва тя.
"Чрез премахването на този преден план от бинарни черни дупки предложените наземни детектори от трето поколение, като например телескопа Айнщайн и Cosmic Explorer, биха могли да бъдат чувствителни към космологично произведен фон с 5 години наблюдения, като по този начин навлязат в сферата, в която могат да се правят важни космологични наблюдения."
