В данни, събрани и анализирани в продължение на 13 години, учените са регистрирали за първи път интригуващ нискочестотен сигнал, който може да бъде от гравитационни вълни, генерирани от множество черни дупки с огромна маса. 

NANOGrav или Северноамериканската обсерватория за гравитационни вълни (NANOGrav - North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) успя да изключи някои ефекти, различни от гравитационни вълни, като намеса от материята в нашата собствена слънчева система или определени грешки при събирането на данни.

Детекторът NANOGrav е мрежа от взаимосвързани радиотелескопи, стартирала още през 2007 г. и която има за цел да открива преминаващи гравитационни вълни чрез наблюдение на милисекундни пулсари. Това са нискочестотни гравитационни вълни, които идват от орбита около свръхмасивни черни дупки, черни дупки, които са милиони или милиарди пъти масата на звездните черни дупки, които произвеждат гравитационните вълни, наблюдавани от LIGO и VIRGO.

В две нови статии, публикувани в изданието Astrophysical Journal Supplements от януари 2021 г., проектът NANOGrav съобщава за откриването на необясними флуктуации, съгласуващи се с ефектите на гравитационни вълни, в периода на 47 пулсара, всеки от които е наблюдаван от три до 12,5 години. Необходимо е такова дълго време за наблюдение, защото вълните са много дълги. 

Действащите понастоящем детектори на гравитационни вълни LIGO и VIRGO могат да регистрират сигнали, идващи от сблъсъка на неутронни звезди и черни дупки със звездна маса. Тези гравитационни вълни имат честоти, вариращи от десетки до хиляди херца (т.е. трептения в секунда). С други думи, когато такъв сигнал достигне детектора, имат време да преминат през него за една секунда десетки до хиляди гребени на гравитационната вълна.

Свръхмасивните черни дупки с тегло милиони и милиарди слънца също генерират гравитационни вълни, когато се сблъскват и сливат. Но честотата на техните гравитационни вълни се измерва в нанохерци или десетки нанохерци, което е милиарди и трилиони пъти по-ниско, отколкото при сблъсъка на черни дупки със звездна маса. Това означава, че вълните са толкова дълги, че са необходими години или десетилетия, докато премине през детектора един гребен, въпреки че се движи със скоростта на светлината. LIGO и VIRGO не могат да улавят толкова дълги вълни.

Но екипът на NANOGrav успява да улави такива сигнали, използвайки естествените радио маяци - пулсарите.

_{Кредит: NANOGrav / T. Klein.}

Пулсарите са плътни тела, останали след експлозия на звезда като свръхнова. Наблюдавани от Земята, пулсарите изглежда сякаш просветват и изгасват. Всъщност светлината идва от два постоянни тесни лъча, идващи от противоположните страни на пулсара, който се върти, подобно на фар. Ако преминат гравитационни вълни между пулсара и Земята, финото разтягане и свиване на пространство-времето ще доведе до малко отклонение в иначе равномерния сигнал на пулсара. Но този ефект е фин и съществуват десетки други фактори, които оказват влияние и върху времето на пулсара. Основна част от работата, извършена от NANOGrav, е да изчистят тези фактори от данните за времето за всеки пулсар, преди да се търсят в данните признаци на гравитационни вълни.

Освен това изследователите проследяват неутронни звезди, чийто период на въртене се измерва в милисекунди, т.е. хилядни от секундата. В същото време инструментите на астрономите измерват времето с точност от десет милионни секунди. 

По този метод е трудно да се открие едно-единствено събитие, като сблъсък на две свръхмасивни черни дупки. Но огромен брой подобни катаклизми, случващи се в различни части на Вселената, трябва да генерират постоянен фон на гравитационни вълни, нещо като фонов шум на Вселената. 

Колкото и да е вълнуващо последното откритие, екипът на NANOGrav не е готов да заяви, че е открил доказателства за гравитационна вълна. Защо?

За да потвърдят директно откриване на сигнал от гравитационни вълни, изследователите на NANOGrav ще трябва да намерят отличителен модел в сигналите между отделните пулсари. В този момент сигналът е твърде слаб, за да може такъв модел да бъде различим. Усилването на сигнала ще изисква от NANOGrav да разшири своя набор от данни, включвайки повече пулсари, изследвани за още по-дълъг период от време, което ще увеличи чувствителността на резултата. 

Справка:

The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Wideband Timing of 47 Millisecond Pulsars
Alam, Md F.; Arzoumanian, Zaven; Baker, Paul T.; Blumer, Harsha; Bohler, Keith E.; Brazier, Adam; Brook, Paul R.; Burke-Spolaor, Sarah; Caballero, Keeisi; Camuccio, Richard S.; Chamberlain, Rachel L.; Chatterjee, Shami; Cordes, James M.; Cornish, Neil J.; Crawford, Fronefield; Cromartie, H. Thankful; Decesar, Megan E.; Demorest, Paul B.; Dolch, Timothy; Ellis, Justin A. ; ...The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 252, Issue 1, id.5, 53 pp., January 2021 DOI: 10.3847/1538-4365/abc6a1 arXiv: arXiv:2005.06495

The NANOGrav 12.5 yr Data Set: Observations and Narrowband Timing of 47 Millisecond Pulsars
Alam, Md F.; Arzoumanian, Zaven; Baker, Paul T.; Blumer, Harsha; Bohler, Keith E.; Brazier, Adam; Brook, Paul R.; Burke-Spolaor, Sarah; Caballero, Keeisi; Camuccio, Richard S.; Chamberlain, Rachel L.; Chatterjee, Shami; Cordes, James M.; Cornish, Neil J.; Crawford, Fronefield; Cromartie, H. Thankful; Decesar, Megan E.; Demorest, Paul B.; Dolch, Timothy; Ellis, Justin A. ; ...The Astrophysical Journal Supplement Series, Volume 252, Issue 1, id.4, 48 pp.
 January 2021 DOI: 10.3847/1538-4365/abc6a0 arXiv: arXiv:2005.06490

Източници:

NANOGrav finds first hints of low-frequency gravitational wave background, University of Wisconsin-Milwaukee.

Gravitational Wave Search Finds Tantalizing New Clue, JET PROPULSION LABORATORY

Още по темата

29/12/2020

Космос

Гравитационните вълни могат да обяснят защо Вселената ускорено се разширява

12/10/2020

Космос

Гравитационните вълни може да се изкривяват от гравитационни лещи

03/09/2020

Космос

Най-мощният сблъсък на две черни дупки доведе до най-силната гравитационна вълна, отчетена някога (видео)

29/10/2020

Космос

Откриха 39 нови гравитационни вълни само за шест месеца (видео)