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

• Реліктове випромінювання
• Нейтринне реліктове випромінювання
• Гравітаційно-хвильова астрономія

Посилання

• Gravitational Wave Experiments and Early Universe Cosmology [Архівовано 30 червня 2019 у Wayback Machine.]