През 1916 г. германският учен Алберт Айнщайн за първи път

През 1916 година немският академик Алберт Айнщайн за първи път допуска съществуването на по-различни талази, наречени по-късно гравитационни талази. Според неговата обща доктрина на относителността те би трябвало да са се породили по време на мощни галактически събития, като разследване от изкривяването на пространствено-времевия континуум, което настава при съществуването на маса.

100 години по-късно, на 11-ти февруари 2016 година, екипите на LIGO и Virgo оповестиха първото непосредствено разкриване и наблюдаване на гравитационни талази, което се реализира през месец септември 2015 година Сблъсъкът на две черни дупки провокира пулсации в тъканта на пространство-времето. Тези пулсации доближиха до нас във тип на гравитационни талази и бяха регистрирани от двата инструмента.

Сега, на 29-ти юни 2023 година North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) разгласи първото непосредствено разкриване на стохастичен гравитационно-вълнов декор (GWB). Откритието е направено благодарение на данни от наблюденията на 68 пулсара, събирани в продължение на 15 години. Точният генезис на този фонов сигнал към момента не е открит и изисква спомагателни наблюдения.

Какво в действителност е стохастичният гравитационно-вълнови декор

Стохастичният (случайният) гравитационно-вълнови декор е цялост от сигнали от разнообразни галактически източници, разпределени във Вселената. За разлика от гравитационните талази, генерирани от единични, добре дефинирани събития, като обединение на черни дупки или детонации на свръхнови, стохастичният декор се състои от „ шума “ на доста разнообразни източници.

Този стохастичен декор, който е действителният фонов звук на Вселената, наподобява като непрестанен сигнал. Всъщност гравитационните талази, които го съставляват, се припокриват и комбинират, с цел да основат примес от сигнали, чиито евентуални източници са да вземем за пример сумата от вълните, генерирани от сливането на голям брой свръхмасивни черни дупки във Вселената, или гравитационните талази, генерирани в първичната ера малко след Големия гърмеж.

Досега откриването им бе невероятно. Нискочестотните гравитационни талази основават толкоз дребни разстройства, че не могат да бъдат засечени от принадлежности като LIGO и Virgo. А даже и да бъдат открити, има доста външни фактори, които внасят фонов звук в измерванията, и отстраняването им е комплицирана задача, изискваща доста комплицирани технологии и техники за разбор на данните. Освен това е належащо да има огромно количество данни, събрани за дълъг интервал от време.

Как бе разкрито това?

Доказателствата за стохастичния декор, разгласен от NANOGrav, бяха открити благодарение на метода PTA (Pulsar Timing Array). Това е способ, употребен за разкриване на нискочестотни гравитационни талази въз основа на наблюдения на пулсари – мощно намагнетизирани неутронни звезди, които излъчват периодически радиоимпулси.

Тези импулси, които са толкоз прецизни, че се смятат за „ галактически часовници “, могат да бъдат регистрирани от радиотелескопите на Земята във тип на радиосигнали. Учените точно мерят времето на идване на сигналите и го съпоставят със постоянен образцов часовник.

Ако гравитационна вълна премине през пространството сред Земята и пулсара, нейното разпространяване оказва въздействие върху времето на идване на сигналите от пулсара до Земята. Гравитационната вълна всъщност провокира дребна дисторция на пространство-времето, която води до закъснение или ускорение на времето на идване на въпросните сигнали.

Сравнявайки времето на идване на сигналите от другите пулсари и изучавайки корелациите сред тях, е допустимо да се дефинира сигнатурата на гравитационна вълна, преминаваща през група от пулсари. Необходими са комплицирани способи за разбор на данните за времето на идване на сигналите от пулсарите и за търсене на кохерентни сигнали, показващи съществуването на гравитационни талази.

Това включва поправяне на нежелани променливи, като атмосферни резултати и инструментален звук, с цел да се дефинират с доста огромна акуратност времевите отклонения, породени от гравитационните талази.

Методът PTA е изключително сензитивен към нискочестотните гравитационни талази, в това число тези, генерирани от галактически събития като сливането на свръхмасивни черни дупки. Използвайки наблюденията на мрежа от пулсари, разпръснати по небето, откривателите търсят кохерентни сигнали и корелации във времевите данни, с цел да открият съществуването на гравитационни талази.

Какви биха могли да бъдат източниците?

Въпреки че NANOGrav даде първите безапелационни доказателства за съществуването на стохастичен гравитационен вълнови декор в ниския честотен диапазон, произходът на този декор към момента е незнаен. Като цяло източниците могат да бъдат както астрофизични, т.е. конфликти на доста солидни небесни обекти, по този начин и космологични, т.е. от механизми, резултати и феномени, които се отнасят към първичната Вселена и интервала на галактическата инфлация.

В едно от оповестените проучвания се преглеждат разнообразни космологични източници и се съпоставят с астрофизичния сигнал, генериран от популация от свръхмасивни двойни черни дупки, в опит да се удостовери или отхвърли опцията те да са източник. Получените резултати обаче са незадоволителни за тъкмо установяване, а анализът не регистрира цялостния диапазон от неопределености на космологичните и астрофизичните сигнали.

Затова са значими бъдещите разбори, целящи по-подробно характеризиране на по този начин наречения „ набор на мощността “ на сигнала и фокусирани върху наблюдението на анизотропията – вариациите в сигнала, които могат да оказват помощ да се направи разграничаване сред астрофизичен и космологичен генезис. За да се разбере по-добре интерпретацията на сигнала, е належащо също по този начин да се дефинират моделите, които точно възпроизвеждат следените параметри и регистрират вероятните вариации, произлизащи от съобразяването с тъмната материя.

Какво значи това изобретение?

Първото сполучливо разкриване на стохастичния гравитационен декор има значими отблясъци в няколко области. На първо място, това е още едно удостоверение на общата доктрина на относителността на Айнщайн. Освен това стохастичният декор съдържа скъпа информация за ранната Вселена.

Откриването на този сигнал ни разрешава да изследваме началните параметри на Вселената, в това число нейния размер, компактност и естеството на фундаменталните взаимоотношения в ранните стадии на галактическата еволюция. Фазите, в които (някъде и от някакъв обект) са били генерирани тези гравитационни талази.

Очевидно е, че в случай че успеем да проследим източниците на тези талази, ще получим информация за другите астрофизични обекти, които способстват за този гравитационен фонов звук. Това може да ни помогне да разберем по-добре образуването и еволюцията на галактиките, сливането на черните дупки и неутронните звезди, както и високоенергийните астрофизични процеси, които пораждат гравитационни талази.

По принцип се смята, че откриването на фоновото лъчение на гравитационните талази, както преди това  сходно на откриването на галактическия микровълнов декор, който в този момент най-подробно се изследва, ще промени разбирането ни за Вселената и нейната еволюция като цяло.

Но ние приказваме и за една напълно нова физика, за нов метод за проучване на цялата Вселена, оттатък класическия метод на хващане на светлината. А може би сме разкрили и нов източник на информация за физични теории оттатък общата доктрина на относителността, като квантовата гравитация и природата на тъмната материя.

Да не забравяме, че това не са единствените принадлежности  в комплекта за проучване на гравитационните талази. И други принадлежности ще могат да откриват други източници на гравитационния вълнов декор. Един подобен инструмент, до появяването на който остават още 15 години, е Лазерната интерферометрична галактическа антена (LISA), която би трябвало да бъде стартирана през 2037 година