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.]

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.
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.
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. 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.
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.
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. 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.