Гравітаційно-хвильовий фон

Гравітаційно-хвильовий фон (англ. gravitational wave background) — стохастичний фон гравітаційних хвиль, що пронизують Всесвіт. Гравітаційно-хвильовий фон може походити як від стохастичних процесів у ранньому Всесвіті, так і від некогерентної суперпозиції великої кількості слабких незалежних джерел гравітаційних хвиль, наприклад, від подвійних надмасивних чорних дір. Вивчення гравітаційно-хвильовиго фону може надати інформацію, недоступну іншим методам дослідження, наприклад, про подвійні надмасивні чорні діри, космологічну інфляцію та гіпотетичні космічні струни[1]. Перша реєстрація гравітаційно-хвильового фону була здійснена 2023 року за допомогою масиву таймінгу пульсарів.

Джерела стохастичного фону

Існують гіпотези про кілька потенційних джерел для гравітаційно-хвильового фону в різних частотних діапазонах, причому кожне джерело створює фон з різними статистичними властивостями. Джерела стохастичного фону можна умовно розділити на дві категорії: астрофізичні та космологічні.

Астрофізичні джерела

Астрофізичний фон створюється накладанням шумів багатьох слабких незалежних астрофізичних джерел[2]. Очікується, що ключовим джерелом стохастичного фону для нинішнього покоління наземних детекторів гравітаційних хвиль, нйбільш чутливих до частот 10-1000 Гц, є злиття нейтронних зір і подвійних чорних дір зоряних мас[3]. Детектори LIGO і Virgo вже виявили окремі події гравітаційних хвиль від таких злиттів чорних дір. Однак має існувати й велика популяція злиттів чорних дір, які не можна розрізнити окремо, і які будуть створювати випадковий шум в детекторах. Іншим астрофізичним джерелом гравітаційно-хвильового фону може бути колапс масивних зір з утворенням чорних дір або нейтронних зір.

Інший спосіб спостереження гравітаційно-хвильового фону - використання масивів таймінгу пульсарів, таких як Європейський масив таймінгу пульсарів (EPTA), Північноамериканська наногерцева обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav) і Парксівський масив таймінгу пульсарів (PPTA), обʼєжнані в Міжнародний масив таймінгу пульсарів. Ці проєкти використовують радіотелескопи для спостереження за масивом мілісекундних пульсарів, який утворює детектор галактичного масштабу, чутливий до гравітаційних хвиль з низькими частотами в діапазоні від наногерц до 100 наногерц. При використанні існуючих телескопів для виявлення сигналу потрібно багато років спостережень, і з часом, по мірі накопичення даних, чутливість детектора поступово підвищується[4]. Гравітаційно-хвильовий фон в цьому діапазоні частот може створюватись подвійними надмасивними чорними дірами[5], які утворюються в ході злиття галактик[6].

Космологічні джерела

Космологічний фон може виникати з кількох джерел у ранньому Всесвіті. Деякі приклади цих первісних джерел включають змінні в часі інфляційні скалярні поля в ранньому Всесвіті, механізми «попереднього нагрівання» після інфляції, що включають передачу енергії від частинок інфлятону до звичайної матерії, фазові переходи в ранньому Всесвіті (такі як електрослабкий фазовий перехід), космічні струни і т.д. Хоча ці джерела більш гіпотетичні, їхнє виявлення стало б відкриттям нової фізики та мало б значний вплив на космологію раннього Всесвіту та фізику високих енергій[7][8].

Спостереження

Графік кореляції між пульсарами, спостережуваними за допомогою NANOGrav (2023), в залежності від кутової відстані між пульсарами на небі. Штрихова фіолетова лінія показує теоретичну модель Геллінгса–Даунза, а зелена пряма - модель без гравітаційно-хвильового фону[9][10][10]

28 червня 2023 року Північноамериканська наногерцева обсерваторія гравітаційних хвиль оголосила про реєстрацію гравітаційно-хвильового фону, використовуючи дані спостережень із масиву мілісекундних пульсарів[11][12]. В той самий день були опубліковані спостереження Європейського масиву таймінгу пульсарів[13], обсерваторії Паркса[14] і Китайського масиву таймінгу пульсарів[15][16], які підтверджували ті ж результати, використовуючи інші телескопи та інші методи аналізу результатів[17]. Ці спостереження забезпечили перше вимірювання теоретичної кривої Геллінгса–Даунса, тобто квадрупольної кореляції між двома пульсарами як функції їхньої кутової відстані на небі, що є ознакою реєстрації сигналу від гравітаційних хвиль[18]. Джерело цього фону наразі не встановлено, і для перевірки різних моделей потрібні додаткові спостереження[19][17].

Див. також

Посилання

Примітки

  1. ↑ Joseph D. Romano, Neil. J. Cornish (2017). Detection methods for stochastic gravitational-wave backgrounds: a unified treatment. Living Rev Relativ. 20 (1): 2. arXiv:1608.06889. Bibcode:2017LRR....20....2R. doi:10.1007/s41114-017-0004-1. PMC 5478100. PMID 28690422.
  2. ↑ Joseph D. Romano, Neil. J. Cornish (2017). Detection methods for stochastic gravitational-wave backgrounds: a unified treatment. Living Rev Relativ. 20 (1): 2. arXiv:1608.06889. Bibcode:2017LRR....20....2R. doi:10.1007/s41114-017-0004-1. PMC 5478100. PMID 28690422.
  3. ↑ LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration; Abbott, B. P.; Abbott, R.; Abbott, T. D.; Acernese, F.; Ackley, K.; Adams, C.; Adams, T.; Addesso, P. (28 лютого 2018). GW170817: Implications for the Stochastic Gravitational-Wave Background from Compact Binary Coalescences. Physical Review Letters. 120 (9): 091101. arXiv:1710.05837. Bibcode:2018PhRvL.120i1101A. doi:10.1103/PhysRevLett.120.091101. PMID 29547330.
  4. ↑ Sesana, A. (22 травня 2013). Systematic investigation of the expected gravitational wave signal from supermassive black hole binaries in the pulsar timing band. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters. 433 (1): L1—L5. arXiv:1211.5375. Bibcode:2013MNRAS.433L...1S. doi:10.1093/mnrasl/slt034.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  5. ↑ Sesana, A.; Vecchio, A.; Colacino, C. N. (11 жовтня 2008). The stochastic gravitational-wave background from massive black hole binary systems: implications for observations with Pulsar Timing Arrays. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 390 (1): 192—209. arXiv:0804.4476. Bibcode:2008MNRAS.390..192S. doi:10.1111/j.1365-2966.2008.13682.x.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  6. ↑ Volonteri, Marta; Haardt, Francesco; Madau, Piero (10 січня 2003). The Assembly and Merging History of Supermassive Black Holes in Hierarchical Models of Galaxy Formation. The Astrophysical Journal. 582 (2): 559—573. arXiv:astro-ph/0207276. Bibcode:2003ApJ...582..559V. doi:10.1086/344675.
  7. ↑ Krauss, Lawrence D; Dodelson, Scott; Meyer, Stephan (21 травня 2010). Primordial Gravitational Waves and Cosmology. Science. 328 (5981): 989-992. doi:10.1126/science.1179541.
  8. ↑ Christensen, Nelson (21 листопада 2018). Stochastic gravitational wave backgrounds. Reports on Progress in Physics. 82 (1): 1-30. doi:10.1088/1361-6633/aae6b5.
  9. ↑ IOPscience - Focus on NANOGrav's 15 yr Data Set and the Gravitational Wave Background.
  10. ↑ а б After 15 years, pulsar timing yields evidence of cosmic gravitational wave background. 29 June 2023.
  11. ↑ Miller, Katrina (28 червня 2023). The Cosmos Is Thrumming With Gravitational Waves, Astronomers Find - Radio telescopes around the world picked up a telltale hum reverberating across the cosmos, most likely from supermassive black holes merging in the early universe. The New York Times. ISSN 0362-4331. Архів оригіналу за 29 June 2023. Процитовано 29 червня 2023.
  12. ↑ Agazie, Gabriella; Anumarlapudi, Akash; Archibald, Anne M.; Arzoumanian, Zaven; Baker, Paul T.; Bécsy, Bence; Blecha, Laura; Brazier, Adam; Brook, Paul R. (June 2023). The NANOGrav 15 yr Data Set: Evidence for a Gravitational-wave Background. The Astrophysical Journal Letters (англ.). 951 (1): L8. doi:10.3847/2041-8213/acdac6. ISSN 2041-8205. Архів оригіналу за 29 червня 2023.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  13. ↑ Antoniadis, J. (28 червня 2023). The second data release from the European Pulsar Timing Array III. Search for gravitational wave signals. arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE].
  14. ↑ Reardon, Daniel J.; Zic, Andrew; Shannon, Ryan M.; Hobbs, George B.; Bailes, Matthew; Di Marco, Valentina; Kapur, Agastya; Rogers, Axl F.; Thrane, Eric (29 червня 2023). Search for an Isotropic Gravitational-wave Background with the Parkes Pulsar Timing Array. The Astrophysical Journal Letters. 951 (1): L6. doi:10.3847/2041-8213/acdd02. ISSN 2041-8205.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  15. ↑ Xu, Heng; Chen, Siyuan; Guo, Yanjun; Jiang, Jinchen; Wang, Bojun; Xu, Jiangwei; Xue, Zihan; Nicolas Caballero, R.; Yuan, Jianping (29 червня 2023). Searching for the Nano-Hertz Stochastic Gravitational Wave Background with the Chinese Pulsar Timing Array Data Release I. Research in Astronomy and Astrophysics. 23 (7): 075024. arXiv:2306.16216. doi:10.1088/1674-4527/acdfa5. ISSN 1674-4527.
  16. ↑ Probing the Universe’s Secrets: Key Evidence for NanoHertz Gravitational Waves. scitechdaily.com. Chinese Academy of Sciences. 2 липня 2023. Процитовано 21 липня 2023. Chinese scientists has recently found key evidence for the existence of nanohertz gravitational waves, marking a new era in nanoHertz gravitational research.
  17. ↑ а б Rini, Matteo. Researchers Capture Gravitational-Wave Background with Pulsar "Antennae". aps.org. Physics 16, 118 (29 June 2023). doi:10.1103/Physics.16.118. Процитовано 1 липня 2023. Four independent collaborations have spotted a background of gravitational waves that passes through our Galaxy, opening a new window on the astrophysical and cosmological processes that could produce such waves.
  18. ↑ Jenet, Fredrick A.; Romano, Joseph D. (1 липня 2015). Understanding the gravitational-wave Hellings and Downs curve for pulsar timing arrays in terms of sound and electromagnetic waves. American Journal of Physics. 83 (7): 635—645. doi:10.1119/1.4916358.
  19. ↑ Focus on NANOGrav's 15 yr Data Set and the Gravitational Wave Background. iopscience.iop.org. June 2023. Процитовано 29 червня 2023.