Загадочный шепот Вселенной: что нам говорят гравитационные волны о чёрных дырах, тёмной материи и ранней Вселенной?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

20 мая 2024, 12:35

В последние годы астрономы переживают захватывающий момент: мы начинаем слышать шепот Вселенной, улавливая гравитационные волны на самых низких частотах. Это стало возможным благодаря усилиям коллабораций по наблюдению пульсаров (PTA), среди которых выделяются Европейская (EPTA) и Индийская (InPTA) группы. Именно они смогли зафиксировать слабый, но устойчивый сигнал, который, вероятно, является фоном гравитационных волн (GWB), рожденным в самых разных уголках космоса.

Большой взрыв, породивший гравитационные волны, вольная интерпретация

Автор: Designer

Но что же скрывается за этим загадочным шепотом? Каким образом столь малозаметные колебания в космосе могут рассказать нам о процессах, происходящих в далеких галактиках, о загадочной темной материи и даже о том, как начиналась Вселенная? Попробуем разобраться в этом, опираясь на данные второго выпуска EPTA, объединенного с данными InPTA (EPTA+InPTA DR2).

Гравитационные волны от танцующих пар черных дыр

Одним из наиболее вероятных источников этого сигнала является космическая популяция сверхмассивных черных дыр (SMBHB), вращающихся в тесных парах и постепенно сливающихся друг с другом. Эти пары черных дыр, находящиеся в центрах галактик, излучают гравитационные волны, которые, складываясь друг с другом, образуют фоновый шум, который мы и улавливаем на Земле.

Свойства общего коррелированного сигнала, обнаруженного в DR2new. Левая панель: свободный спектр среднеквадратичного отклонения, вызванного избыточным коррелированным сигналом в каждом бине частотного разрешения (ширина определяется обратной величиной размаха данных, ∆ f = T -1). Прямая линия представляет собой наилучшую подгонку по закону мощности к данным. Правая панель: совместное апостериорное распределение в плоскости A — γ. Обратите внимание, что мы нормируем A на поворотную частоту f0 = 10yr-1

Автор: Cosmology and Nongalactic Astrophysics (astro-ph.CO); Astrophysics of Galaxies (astro-ph.GA); General Relativity and Quantum Cosmology (gr-qc) arXiv:2306.16227 [astro-ph.CO] DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.16227 CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Данные EPTA+InPTA DR2 позволяют предположить, что сверхмассивные черные дыры сливаются значительно быстрее, чем считалось ранее. Также они указывают на то, что существует определенная связь между массой черной дыры и массой галактики, в которой она находится. Если подтвердится, что источником сигнала являются именно SMBHB, то это будет первое прямое доказательство того, что слияния таких пар происходят в природе. Это открытие станет важным шагом в понимании эволюции галактик и формирования структуры Вселенной.

A — γ-распределение измеренного сигнала (оранжевый) в сравнении с предсказаниями модели (зеленый). Показаны контуры 1σ и 2σ. На сайте также маргинальные распределения A (слева) и γ (справа) с их 1σ доверительные интервалы выделены в виде заштрихованных областей.

Ранняя Вселенная: от инфляции до турбулентности

Но гравитационные волны могут приходить не только от «танцев» черных дыр. Ряд процессов, происходивших в самые ранние моменты существования Вселенной, также могут создавать гравитационные волны, которые мы улавливаем сегодня.

Двумерные постеры отношения тензора к скаляру (в log10) и спектрального индекса плотности фракционной энергии nT в частотном диапазоне РТА. Показаны 68%-ная и 95%-ная доверительные области. Черная пунктирная линия представляет верхнюю границу отношения тензора к скаляру, найденную в работе Tristram et al. (2022) в предположении однопольной медленно-ролевой инфляции.

Одна из таких гипотез связывает этот сигнал с ранней инфляцией Вселенной — периодом быстрого расширения, который произошел в первые доли секунды после Большого Взрыва. Однако, чтобы объяснить наблюдаемый сигнал в рамках инфляционной модели, необходимо предположить, что спектр гравитационных волн от инфляции имел необычную форму, отличающуюся от стандартных предсказаний.

Другой гипотезой является существование космических струн — одномерных дефектов, которые могли образоваться в ранней Вселенной. Космические струны могут генерировать гравитационные волны как во время кратковременных вспышек, так и в виде постоянного фонового шума. EPTA+InPTA DR2 позволяет установить пределы на плотность космических струн, но не дает полноценного подтверждения их существования.

Сравнение постериорных значений натяжения струн для двух моделей струн (BOS и LRS) в случае (i). (BOS и LRS) в случае (i), Nc = 2 и Nk = 0 (Γ = 57). Сплошные линии предполагают только космический струнный фон, пунктирные линии предполагают как популяцию круговых SMBHB, движимых ГВ, и космические струны.

Наконец, некоторые теоретики связывают этот сигнал с турбулентностью, которая могла возникнуть в ранней Вселенной. Если бы эта турбулентность существовала в эпоху кварк-глюонной плазмы, она могла создать гравитационные волны, которые мы наблюдаем сегодня. Однако, чтобы объяснить сигнал EPTA+InPTA DR2, турбулентность должна была быть намного более интенсивной, чем предполагалось ранее.

Темная материя: новая загадка

Помимо гравитационных волн, EPTA+InPTA DR2 также предоставил данные, которые можно интерпретировать в контексте загадочной темной материи. В частности, наблюдаемый сигнал может быть объяснен гипотетической моделью «пушистой» темной материи (ULDM) — гипотетическим типом темной материи, состоящей из ультралегких частиц.

Ограничения на Ψc как функция mϕ с использованием EPTA DR2new с использованием набора данных EPTA DR2new из статьи III. Для сравнения приведены результаты предыдущих анализов, см. Porayko & Postnov (2014); Porayko et al. (2018) для более подробной информации. На сайте синие, оранжевые и коричневые линии представляют 95% байесовский верхний предел на Ψc, полученные из набора данных EPTA DR2new с помощью коррелированного, некоррелированного и коррелированного с пульсарами анализа, соответственно.

Согласно этой модели, ультралегкие частицы темной материи создают волны де Бройля, которые могут изменять время прихода радиосигналов от пульсаров. Однако, совместный анализ сигнала EPTA+InPTA DR2 с учетом возможного вклада ULDM и GWB показал, что данные не подтверждают гипотезу о ULDM как главном источнике наблюдаемого сигнала.

Будущее: новые горизонты

Мы находимся в начале этого захватывающего путешествия по Вселенной. EPTA+InPTA DR2 показывает нам, что мы уже стоим на пороге новых открытий. Объединение данных от всех PTA-коллабораций в рамках Международного PTA (IPTA) обещает нам еще более точные и детальные наблюдения, которые помогут разгадать тайны этого космического шепота.

Если сигнал от сверхмассивных черных дыр является наиболее вероятным, почему мы не можем исключить другие сценарии, например, раннюю Вселенную или темную материю?

Ключевой фактор — недостаточная точность и количество данных, которые мы имеем сейчас. Мы видим сигнал, но он слишком слабый и не достаточно информативен, чтобы полностью исключить какую-либо из предложенных гипотез. Сравнивая наблюдаемый сигнал с разными моделями, мы видим, что он соответствует многим из них. Потребуется гораздо больше данных и более точные модели, чтобы уточнить происхождение сигнала.

Как можно проверить, действительно ли сигнал исходит от сверхмассивных черных дыр?

Существуют несколько способов проверить эту гипотезу. Во-первых, можно попробовать разобрать сигнал на отдельные вклады от разных источников. Если сигнал действительно от SMBHB, то в нем должны быть заметны отдельные «ноты», соответствующие разным парам черных дыр. Во-вторых, можно посмотреть, как сигнал меняется со временем. Если сигнал от SMBHB, то он должен изменяться с временем, поскольку черные дыры приближаются друг к другу и их орбита становится более компактной.

Если «пушистая» темная материя не является источником сигнала, как это влияет на наше понимание темной материи?

Это не означает, что «пушистая» темная материя не существует. Просто EPTA+InPTA DR2 не предоставляет прямых доказательств ее существования. Однако, это значит, что она не является единственным типом темной материи или что ее количество в нашей галактике меньше, чем предполагалось ранее.

Что произойдет, когда мы получим больше данных от PTA?

С увеличением объема данных и времени наблюдений, сигнал станет более четким и информативным. Это позволит нам более точно определить его происхождение. Также мы будем мочь более подробно изучить свойства источника сигнала и получить новые сведения о черных дырах, ранней Вселенной и темной материи.