Учените са развълнувани от идващата този четвъртък голяма гравитационна вълна
В илюстрацията нагоре е показана визуализацията на гравитационните талази, генерирани от две черни дупки.
Всяка свръхнова, всяко обединение на неутронни звезди или черни дупки, даже бързо въртящите се самотни неутронни звезди, могат или по-скоро би трябвало да бъдат източник на гравитационни талази.
Дори бързата инфлация на пространството, последвала Големия гърмеж преди 13,8 милиарда години, би трябвало да провокира своя лична каскада от гравитационни талази.
Подобно на камък, хвърлен в езеро, тези солидни събития би трябвало да провокират пулсации, които да се отразят в самата тъкан на пространство-времето – слаби разширения и свивания на пространството, които биха могли да бъдат открити от нас като разминавания в сигналите, които би трябвало да са с тъкмо несъмнено времетраене.
В своята цялост тази комбинация от сигнали се комбинира, с цел да образува инцидентно или „ стохастично “ вибриране, известно като декор на гравитационните талази или казано по различен метод – гравитационен вълнови декор или просто гравитационен декор. Това е едно от най-силно търсените открития в региона на астрономията на гравитационните талази.
Има и признаци, че е допустимо напълно скоро да се стигне до развиване на тази тематика, защото Северноамериканската нано-херцова обсерватория за гравитационни талази (NANOGrav) провежда координирано и световно изказване на 29 юни 2023 година, четвъртък.
Тази актуализация ще хвърли светлина върху проучванията, провеждани от Международния масив за премерване на времето на пулсарите – световен консорциум от детектори на гравитационни талази: Северноамериканският NANOGrav; Европейският импулсен времеви масив; Индийският план за импулсен времеви масив; и Австралийският импулсен времеви масив Parkes.
Mark your calendars and get ready for a major announcement from the NANOGrav collaboration on June 29th! #nanograv
— NANOGrav PFC (@NANOGrav) June 21, 2023
Новата линия в проучването на космоса
Счита се, че откриването на фоновото лъчение на гравитационните талази, както преди този момент откриването на галактическия микровълнов декор, който в този момент най-подробно се изследва, ще промени разбирането ни за Вселената и нейната еволюция.
„ Откриването на стохастичния декор на гравитационното лъчение може да даде богата информация за астрофизичните изходни популации и процеси в доста ранната Вселена, които не са налични по никакъв различен метод “, изяснява физик-теоретикът Сюзън Скот от Австралийския народен университет и Центъра за върхови достижения на ARC за разкриване на гравитационни талази.
„ Така да вземем за пример електромагнитното лъчение не ни дава визия за Вселената преди времето на последното разпръскване (около 400 000 години след Големия взрив). Гравитационните талази обаче могат да ни дадат информация чак до самото начало на инфлацията, единствено ∼10-32 секунди след Големия гърмеж “.
За да разберем смисъла на гравитационния декор, би трябвало да поговорим малко за различен реликт от Големия гърмеж: галактическия микровълнов декор, или CMB (cosmic microwave background).
Миг откакто нашата Вселена стартира да пулсира и пространството се охлажда, бълбукащата пяна, която е била всичко, се сгъстява в непрозрачна чорба от субатомни частици под формата на йонизирана плазма.
Всяко излъчване, което се появява с него, се разпръсква, което не му разрешава да измине по-голямо разстояние. Едва когато тези субатомни частици се рекомбинират в атоми – ера, известна като Епохата на рекомбинацията – светлината стартира да се движи свободно из Вселената и по-нататък през епохите.
Първият мълниеносен изблик на светлина е избухнал в пространството към 380 000 години след Големия гърмеж и защото през идващите милиарди години Вселената е растяла и се е разраствала, тази светлина се е вмъкнала във всяко кътче. Тя е на всички места към нас и през днешния ден. Това излъчване е извънредно едва, само че елементарно се открива, изключително в микровълновите талази. Това е CMB, първата светлина във Вселената.
Неравномерностите в тази светлина, наречени анизотропии, са породени от дребните температурни съмнения, показани от тази първична светлина. Трудно е да се оцени какъв брой феноменално е нейното изобретение: CMB е една от дребното проби, с които разполагаме за положението на ранната Вселена.
Откриването на гравитационния вълнови декор би било превъзходно повтаряне на това достижение.
„ Очакваме откриването и анализът на гравитационно-вълновия декор да направи гражданска война в разбирането ни за Вселената “, споделя Скот, „ по същия метод, по който за първи път бе намерено галактическото микровълново фоново лъчение и неговите анизотропии “.
Вихърът след Големия гърмеж
Първото вписване на гравитационни талази беше направено напълно наскоро, през 2015 година
Две черни дупки, които са се сблъскали преди към 1,4 милиарда години, са изпратили талази, разпространяващи се със скоростта на светлината; на Земята тези разширения и свивания на пространство-времето напълно едва задействаха инструмента, планиран и модернизиран в продължение на десетилетия, в очакване да открие тъкмо такова събитие.
Това бе монументално изобретение по няколко аргументи. То за първи път ни даде директно удостоверение за съществуването на черни дупки.
То удостовери прогнозата на Общата доктрина на относителността, направена 100 години по-рано, че гравитационните талази са действителни.
Това означаваше, че този инструмент, интерферометърът на гравитационни талази, върху който учените работеха от години, ще направи гражданска война в разбирането ни за черните дупки.
Така и стана. До през днешния ден интерферометрите LIGO и Virgo са засекли близо 100 събития с гравитационни талази: задоволително мощни, с цел да се получи изразителен сигнал, който доста добре се разграничава на фона на съществуващите шумове.
Тези интерферометри употребяват лазери, които излъчват светлина в специфични тунели с дължина няколко километра. Тези лазери се въздействат от разтягането и свиването на пространство-времето, провокирано от гравитационните талази, като генерират интерферентна картина, от която учените могат да създадат извод за свойствата на компактните обекти, генериращи мощните гравитационни сигнали.
Но гравитационният декор е друго събитие и е напълно друг.
„ Астрофизичният декор се основава от смесения звук на доста слаби, самостоятелни и неразкрити астрофизични източници “, споделя Скот.
„ Нашите наземни детектори на гравитационни талази LIGO и Virgo към този момент са засекли гравитационни талази от десетки обособени сливания на двойки черни дупки, само че астрофизичният декор от сливанията на двойни черни дупки със звездна маса се чака да бъде основен източник на GWB (гравитационни вълни) за настоящето потомство детектори. Знаем, че има огромен брой сходни сливания, които не могат да бъдат разпознати поотделно, и те дружно основават цялост от инцидентни шумове в детекторите “.
Скоростта, с която бинарните черни дупки се сблъскват във Вселената, е незнайна, само че темповете, с които можем да ги открием, ни дават насочна точка, от която можем да създадем приблизителна оценка.
Учените смятат, че става дума за към едно обединение на минута и няколко на час, като записаният сигнал на всяко от тях трае единствено част от секундата. Тези самостоятелни, инцидентни сигнали евентуално биха били прекомерно слаби, с цел да бъдат открити, само че биха се комбинирали, с цел да основат неподвижен фонов шум; астрофизиците го съпоставят със звука от пукащи се пуканки.
Това би бил източникът на стохастичен сигнал на гравитационните талази, който бихме могли да чакаме да открием с принадлежности като интерферометрите LIGO и Virgo. В момента тези принадлежности са в развой на профилактика и подготовка и към тях ще се причисли трета обсерватория, KAGRA в Япония, в ново наблюдаване през март 2023 година Не е изключено това съдействие да открие „ пуканковите “ сигнали на гравитационните талази.
Това обаче 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
Тя се базира на същата технология като LIGO и Virgo, само че с „ рамена “, дълги 2,5 милиона километра. Тя ще работи в доста по-нискочестотен диапазон спрямо LIGO и Virgo и затова ще открива разнообразни типове събития, свързани с гравитационните талази.
„ GWB не всеки път наподобява на попкорн “, споделя Скот пред ScienceAlert.
„ Той може да се състои и от обособени детерминирани сигнали, които се припокриват във времето, създавайки разбъркан звук, сходен на фоновите диалози по време на празненство. Пример за подобен звук е гравитационното лъчение, генерирано от галактическата популация от компактни двойни двойки бели джуджета. Това ще бъде значим източник на разбъркан звук за LISA. В този случай стохастичният сигнал ще е толкоз мощен, че ще излезе на напред във времето и ще работи като спомагателен източник на звук при опитите за разкриване на други слаби сигнали на гравитационните талази в същия честотен диапазон “.
LISA теоретично може да открие и космологични източници на фона на гравитационните талази, като да вземем за пример галактическата инфлация директно след Големия гърмеж или галактическите струни – теоретични пукнатини във Вселената, които биха могли да се образуват в края на инфлацията, губейки сила посредством образуването на гравитационни талази.
Пулсът на космоса
Има също по този начин една голяма обсерватория за гравитационни талази от космически мащаб, която учените изследват, с цел да търсят подмятания за гравитационния декор: времевите матрици на пулсарите. Пулсарите са тип неутронни звезди – остатъци от тогавашни солидни звезди, които са починали в грандиозна свръхнова, оставяйки след себе си единствено компактно ядро.
Пулсарите се въртят по подобен метод, че предаваните от полюсите им радиоимпулси осветяват Земята, сходно на галактически фар; някои от тях го вършат на необикновено точни шпации, което е потребно за редица приложения, като да вземем за пример навигацията.
На доктрина обаче разтягането и свиването на пространство-времето би трябвало да докара до дребни отклонения във времето на проблясъците на пулсарите.
Един пулсар, който демонстрира леки несъответствия във времето, може да не значи доста, само че в случай че няколко пулсара демонстрират корелирани несъответствия във времето, това може да е показателно за гравитационни талази, генерирани от ултрамасивни черни дупки.
Учените са разкрили любопитни признаци за този източник на фона на гравитационните талази в масивите за премерване на времето на пулсарите, само че към момента не разполагаме с задоволително данни, с цел да определим дали това в действителност е по този начин.
Но това може да се промени с последната актуализация този четвъртък, 29-ти юни 2023 година
Намираме се толкоз примамливо покрай откриването на гравитационния декор: астрофизичният декор, разкриващ държанието на черните дупки във Вселената; и космологичният декор, което може да стане въз основата на квантовите флуктуации, следени в CMB, инфлацията, самият Голям гърмеж.
Скот споделя, че това е нещо като хипотетичният Бял кит – този, който ще забележим едвам след сложната работа по разделянето на фона на обособените гравитационни източници, които съставляват този фонов звук.
„ Макар с неспокойствие да чакаме богата информация, която ще получим от откриването на астрофизично основания декор, наблюдението на гравитационните талази от Големия гърмеж е в действителност крайната цел на астрономията на гравитационните талази “, споделя още тя.
