Как возникают гравитационные волны сверхнизкой частоты: ученые ведут поиски источника

Новости МирТесен

Гравитационные волны наногерцового диапазона, генерируемые пульсарами, способны предоставить ценную информацию о структуре Вселенной, и недавние японские исследования открывают ученым возможность понять это послание.

С тех пор, как эти гравитационные волны наногерцового диапазона были впервые зарегистрированы в 2023 году, их неясное происхождение вызывает дискуссии в научном сообществе. Международные группы ученых, совместно анализировавшие данные, предложили две основные гипотезы, и недавнее исследование, проведенное Университетом Хиросаки, было направлено на то, чтобы установить, какая из них наиболее точно объясняет эту космическую тайну.

Пояснение природы гравитационных волн в наногерцовом диапазоне

Пульсары характеризуются стабильностью своих вспышек, что делает их почти столь же предсказуемыми, как ход часов. С помощью радиотелескопов ученые могут отслеживать эти импульсы, чтобы получить информацию о том, что они говорят о Вселенной и о природе пульсаров.

С 2023 года несколько исследовательских коллективов в США и Европе заявили о возможном обнаружении нового типа гравитационных волн. Эти волны, известные как наногерцовые гравитационные волны, охватывают огромные пространства, характеризуются длинами волн, измеряемыми в световых годах, и имеют периоды, длящиеся от нескольких месяцев до лет. Для детального изучения этих волн ученым требуется широкое поле обзора, которое можно обеспечить, наблюдая за ними с расстояний от сотен до тысяч световых лет.

«Полученный сигнал имел статистическую значимость, однако не достиг уровня в 5 сигма, который обычно требуется специалистам в области физики элементарных частиц », — пояснил Хидеки Асада, специалист в области теоретической физики и преподаватель Университета Хиросаки. « Это значимое свидетельство, хотя и не является окончательным подтверждением. Тем не менее, космологи и астрофизики полагают, что мы находимся на пороге первого обнаружения гравитационных волн с частотой в наногерцовом диапазоне ».

Несмотря на необходимость получения дополнительных данных для подтверждения полученных результатов, определение источника этой значимой информации представляет собой отдельную проблему.

Источники волновых возмущений

«Два основных источника наногерцовых гравитационных волн на данный момент идентифицированы », — сказал Асада. «Среди них — космическая инфляция, потенциально вызвавшая возмущения в структуре пространства-времени в эпоху зарождения Вселенной, которые впоследствии увеличились до космических размеров. Альтернативным объяснением является существование массивных двойных чёрных дыр, возникающих в процессе слияния галактик. Оба этих явления способны порождать гравитационные волны в наногерцовом диапазоне ».

Несмотря на то, что источник гравитационных волн остается постоянным, объекты, деформирующие пространство-время в разных точках на траектории волн, направляющихся к Земле, способны повлиять на их частоту до того, как сигналы достигнут нас. Эти искажения не являются случайными; ученые могут распознавать в них конкретные закономерности, напоминающие волны, распространяющиеся по поверхности водоема.

Асада и Шуна Ямамото, ученый из Высшей школы науки и технологий Университета Хиросаки, разработали инновационный способ выявления источника этих таинственных гравитационных волн, представив его в статье, опубликованной в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. В процессе работы они определяют колебания, которые возникают вследствие взаимодействия волн, практически совпадающих по частоте, и это оказывает продолжительное воздействие на согласованность импульсов, когда они достигают наших земных наблюдательных пунктов.

Ритм космоса

Для определения периодов усиления и ослабления команда использовала биения, возникающие при наложении двух волн с близкими частотами. Анализ этих биений позволил им выявить двойную черную дыру, поскольку черные дыры характеризуются близкими частотами, что приводит к появлению специфических колебаний в их паттернах. Обнаружение такого биения указывает на наличие двух отдельных и схожих источников, а не на случайные помехи от диффузного космического фона. Для окончательного подтверждения потребуется более убедительные данные о существовании гравитационных волн наногерцового диапазона.

«После того, как будет подтверждено открытие с уровнем достоверности в пять сигма, вероятно, в течение нескольких лет, следующим вопросом станет: каким образом возникли эти волны? » — заключил Асада.

«На данном этапе наш метод позволяет установить, являются ли эти явления следствием инфляции или связаны с расположенными неподалеку двойными сверхмассивными черными дырами ».

Статья команды была в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 15 октября 2025 года.