Раздвигая границы сверхнизкочастотных гравитационных волн

Команда физиков разработала метод обнаружения гравитационных волн с такими низкими частотами, что они могли бы раскрыть секреты ранних фаз слияния сверхмассивных черных дыр, самых тяжелых объектов во Вселенной.

Этот метод может обнаружить гравитационные волны, которые колеблются только раз в тысячу лет, что в 100 раз медленнее, чем любые ранее измеренные гравитационные волны.

«Это волны, достигающие нас из самых дальних уголков Вселенной и способные повлиять на распространение света», — сказал ДЖЕФФ ДРОР, доктор философии, доцент кафедры физики Университета Флориды и соавтор нового исследования. «Изучение этих волн ранней Вселенной поможет нам построить полную картину нашей космической истории, аналогичную предыдущим открытиям космического микроволнового фона».

Дрор и его соавтор, постдокторант Калифорнийского университета в Санта-Крузе Уильям ДеРокко, опубликовали свои выводы в журнале Письма о физических отзывах.

Гравитационные волны подобны ряби в космосе. Подобно звуковым волнам или волнам в океане, гравитационные волны различаются как по частоте, так и по амплитуде, и эта информация позволяет понять их происхождение и возраст. Гравитационные волны, достигающие нас, могут колебаться на чрезвычайно низких частотах, намного более низких, чем звуковые волны, воспринимаемые человеческим ухом. Некоторые из самых низких частот, обнаруженных в прошлом, составляли всего один наногерц.

«Для справки, — пояснил Дрор, — частота звуковых волн, создаваемых ревом аллигатора, примерно в 100 миллиардов раз превышает эту частоту — это очень низкие волны».

Их новый метод обнаружения основан на анализе пульсаров и нейтронных звезд, которые излучают радиоволны через очень регулярные промежутки времени. Дрор предположил, что поиск постепенного замедления прихода этих импульсов может выявить новые гравитационные волны.

Изучая существующие данные о пульсарах, Дрор смог найти гравитационные волны с более низкими частотами, чем когда-либо прежде, увеличив наш «диапазон слышимости» до частот всего 10 пикогерц, что в 100 раз ниже, чем предыдущие попытки обнаружить волны наногерцового уровня.

Хотя гравитационные волны с частотой около наногерца были обнаружены и раньше, об их происхождении известно немногое. Есть две теории. Основная идея заключается в том, что эти волны являются результатом слияния двух сверхмассивных черных дыр, что, если это правда, даст исследователям новый способ изучения поведения этих гигантских объектов, лежащих в центре каждой галактики.

Другая основная теория заключается в том, что эти волны были созданы в результате какого-то катастрофического события в начале истории Вселенной. Изучая гравитационные волны на еще более низких частотах, они смогут дифференцировать эти возможности.

«Заглядывая в будущее, следующим шагом будет анализ новых наборов данных», — сказал Дрор. «Наборы данных, которые мы использовали, были в основном за 2014 и 2015 годы, и с тех пор было проведено огромное количество наблюдений пульсаров».

Дрор также планирует провести моделирование на макетных данных с использованием суперкомпьютера UF HiPerGator, чтобы глубже раскрыть космическую историю. Суперкомпьютер может эффективно выполнять большие и сложные симуляции, значительно сокращая время, необходимое для анализа данных.