Вчений розробив метод пошуку гравітаційних хвиль за допомогою квазарів

Уявіть собі океан. Не земний, а космічний — безмежний простір-час. І в цьому океані постійно розходяться хвилі, невидимі, але неймовірно сильні. Це гравітаційні хвилі, бриж самої тканини Всесвіту, породжений колосальними подіями на зразок злиття надмасивних чорних дірок. Ці хвилі несуть інформацію про фундаментальні закони природи і найграндіозніші космічні катаклізми. І ось, вчені шукають нові, тонші способи почути цей космічний шум.

Астрофізик Джеремі Дарлінг з Університету Колорадо в Боулдері взявся за амбітне завдання — він розробляє принципово новий метод для виміру так званого фону гравітаційних хвиль. Це не окремі сплески від конкретних злиттів, які ловлять детектори на кшталт LIGO і Virgo, а постійний гул, луна незліченних подій, що відбувалися протягом усієї історії Всесвіту. Спіймати це тло — все одно що розрізнити тихий шепіт на тлі стадіону, що реве. Але чому так важливо?

Що таке гравітаційні хвилі та чому їх так складно зловити?

Давайте начистоту: гравітаційні хвилі – це не світло, не радіосигнали. Це спотворення самого простору-часу. Коли два гігантські об’єкти, на зразок чорних дірок або нейтронних зірок, обертаються один навколо одного і зливаються, вони буквально «збовтують» простір, посилаючи на всі боки хвилі, які розтягують і стискають все на своєму шляху. Включаючи нашу землю.

Проблема в тому, що ці спотворення неймовірно малі. Навіть потужні хвилі від злиття чорних дірок, зареєстровані LIGO/Virgo, змінюють відстань між дзеркалами детекторів на величину, у тисячі разів меншу за діаметр протона! А фонові гравітаційні хвилі, які шукає Дарлінг, ще слабші і, до того ж, мають дуже велику довжину хвилі — вони «прокатуються» повз нас роками та десятиліттями. Уявляєте, яка точність потрібна їхнього виявлення?

Нещодавно колаборація NANOGrav (Північноамериканська наногерцова обсерваторія гравітаційних хвиль) вже досягла вражаючого успіху. Вони використовували пульсари — нейтронні зірки, що швидко обертаються, які випускають радіоімпульси з разючою регулярністю, свого роду «космічний годинник». Спостерігаючи за дрібними змінами в часі приходу цих імпульсів, вчені змогли засікти, як фонові гравітаційні хвилі розтягують і стискають простір вздовж лінії нашого погляду на ці пульсари. Це схоже на те, як хвилі на морі підходять до берега — просто на вас.

Пульсари проти Квазаров: Два погляди на одну брижі

Але Джеремі Дарлінг задався іншим питанням. Гравітаційні хвилі поширюються у трьох вимірах. Вони не тільки розтягують і стискають простір до нас і від нас, але повинні викликати і поперечні зміщення. Уявіть самі хвилі на море: вони не тільки піднімають і опускають буйок (аналог розтягування-стиснення), але і можуть зрушувати його трохи вправо-вліво, паралельно березі. Саме цей «бічний» ефект і хоче зловити Дарлінг.

І для цього він обрав інші небесні об’єкти – квазари. Що таке? Це неймовірно яскраві активні ядра далеких галактик, в центрі яких знаходяться надмасивні чорні дірки, що активно поглинають речовину. Квазари — одні з найдальших і найяскравіших об’єктів у Всесвіті, що робить їх ідеальними «маяками».

У чому ідея? Коли гравітаційна хвиля проходить між нами та далеким квазаром, вона трохи викривляє шлях світла від нього. Це схоже на те, як гаряче повітря над асфальтом змушує зображення тремтіти. З Землі нам здаватиметься, що квазар трохи змістився на небі — таке собі «тремтіння» або «похитування». Самі квазари, звичайно, нікуди не смикаються (принаймні, не так швидко і хаотично), вся справа в гравітаційній хвилі, що спотворює їхнє видиме положення.

Танцюючі квазари та космічна лінійка

Звучить інтригуюче, чи не так? Але тут ми стикаємося з головною труднощами — астрометрією, наукою про вимірювання положень та рухів небесних тіл. Виміряти це «тремтіння» квазарів – завдання колосальної складності. Йдеться про усунення, які настільки малі, що їх вимір вимагає точності, еквівалентної спостереженню із Землі за зростанням нігтя на пальці людини, що стоїть на Місяці! Десятиразово точніше, ніж згадано у вихідній статті для наочності ефекту.

Понад те, сама Земля — не статична обсерваторія. Вона обертається навколо Сонця зі швидкістю близько 30 км/сек, а Сонячна система мчить навколо центру Галактики зі швидкістю понад 200 км/сек. Весь цей рух створює видимі усунення далеких об’єктів на небі (паралакс, аберація світла), які потрібно якось відокремити від шуканого ефекту гравітаційних хвиль. Це все одно що намагатися виміряти вібрацію від мухи, що пролітає, стоячи на палубі корабля в шторм.

Як же Дарлінг підходить до рішення? Він використовує дані космічного телескопа Gaia Європейського космічного агентства. Gaia з безпрецедентною точністю вимірює положення та рухи мільярдів зірок та сотень тисяч квазарів. Дарлінг бере ці дані та аналізує відносний рух пар квазарів. Ідея в тому, що власний рух Землі та інші систематичні ефекти впливатимуть на обидва квазари в парі схожим чином, а ось гравітаційні хвилі, що приходять з різних напрямків, викликатимуть у них різне «тремтіння». Порівнюючи руху в парах і середня за величезним числом таких пар, можна спробувати виділити слабкий сигнал гравітаційних хвиль.

В очікуванні даних: Що далі?

На цей час результати Дарлінга ще не дозволяють однозначно заявити про виявлення цього «поперечного» ефекту гравітаційних хвиль. Даних поки що недостатньо, щоб відокремити шуканий сигнал від шуму та похибок вимірювань. Але це лише початок великого шляху.

Ключовим моментом стане наступний випуск даних від місії Gaia, що очікується у 2026 році. Він міститиме результати спостережень за набагато триваліший період — близько 8.5 років у порівнянні з приблизно 3 роками у використаному зараз каталозі. Більш тривалий часовий інтервал дозволить набагато точніше виміряти малі усунення і, можливо, нарешті виявити ту саму бриж простору-часу, відображену в «танці» далеких квазарів.

Навіщо це все потрібно? Вимірювання фону гравітаційних хвиль різними методами (через пульсари та квазари) дасть нам об’ємну картину цього явища. Порівнюючи результати, можна буде перевірити прогнози різних теорій гравітації, включаючи Загальну теорію відносності Ейнштейна, на новому рівні. Розуміння властивостей цього фону допоможе краще дізнатися історію злиття надмасивних чорних дірок, а отже, і історію еволюції самих галактик. По суті, це ще один крок до розуміння самих фундаментальних механізмів, які керують нашим Всесвітом.

Тож поки ми живемо своїм звичайним життям, десь там, у глибинах космосу, квазари продовжують свій ледь помітний танець під музику гравітаційних хвиль. І астрофізики, озброївшись неймовірно точними інструментами та дотепними методами, наполегливо намагаються вловити цю космічну мелодію. Хто знає, які таємниці вона нам відкриє?