Тёмная материя проявляет себя лишь в гравитационном взаимодействии, что делает её невидимой в электромагнитном спектре. Можно ли раскрыть её секреты, не получая данных о тёмном веществе напрямую? В этом могут помочь пульсары, уверены учёные. Радиоволновые импульсы от этих природных часов распространяются по кривизне пространства-времени и реагируют на гравитационные возмущения от сгустков тёмной материи.

Художественное представление пульсара. Источник изображения: NASA Goddard/Walt Feimer

Исследователи из Университета Нотр-Дам (США) изучили 65 пульсаров из каталога Parkes Pulsar Timing Array, данные по которым собирает одноимённая радиообсерватория в Австралии. Идея заключалась в том, что искривление пространства-времени под воздействием сгустка тёмной материи внесёт задержку в радиоимпульс какого-либо пульсара. Эту задержку длительностью в несколько наносекунд мы можем измерить с использованием атомных часов на Земле и собранных данных о пульсарах, которые служат своеобразными маяками во Вселенной и невообразимо точны для нашего масштаба времени.

Пульсары — это нейтронные звёзды, ядра умерших массивных звёзд, многократно больше нашего Солнца. Если они при осевом вращении направляют полюса в сторону Земли, то мы фиксируем радиоимпульс от выброса энергии. Массы вещества на пути радиоимпульсов — обычного и тёмного — искривляют пространство-время и делают путь радиолуча длиннее, как если бы он двигался не по прямой, а по окольному пути. В приходе импульса возникает задержка, которая позволяет судить о массе, вызвавшей возмущение пространства-времени. И если в том месте пространства нет видимого объекта, например, звезды или скопления звёзд, то там может скрываться невидимая тёмная материя.

В данных о 65 пульсарах учёные обнаружили 12 обнадёживающих аномалий, которые указывали на изменения и задержки во времени пульсаров, ранее зафиксированные радиотелескопом. Земля, Солнце и пульсары очевидным образом постоянно движутся в пространстве, создавая всё новые и новые условия для наблюдений. Все изменения в длительности импульсов пульсаров создают образ пространства-времени между этими объектами, который учёные пытаются расшифровать.

Визуализация гравитационных волн, производимых сверхмассивными чёрными дырами. Источник изображения: nanograv.org

Данная работа имеет также другое значение. Примерно год назад впервые была подтверждена регистрация низкочастотных гравитационных волн — своеобразной ряби пространства-времени во Вселенной. Это почти как решётка пространства-времени, которая как и реликтовое излучение может дать информацию о процессах вскоре после Большого взрыва и более поздних. Данные о задержках сигналов пульсаров могут помочь исключить гравитационный шум — помехообразующее воздействие тёмной материи на эту рябь, что повысит точность измерений других явлений, таких как слияние чёрных дыр на заре Вселенной и процессы с первичными чёрными дырами.

Группы учёных из Австралии, США, Европы, Китая и Индии независимо друг от друга опубликовали материалы об обнаружении признаков низкочастотных гравитационных волн — это ещё не совсем их открытие, но результаты наблюдений с высокой вероятностью свидетельствуют о том, что зафиксировано нечто значимое. Астрономам удалось «услышать» низкочастотные гравитационные волны — слабую рябь ткани Вселенной, вызванную движением сверхмассивных объектов, которые растягивают и сжимают пространство.

Визуализация гравитационных волн, производимых сверхмассивными чёрными дырами. Источник изображения: nanograv.org

Ещё Эйнштейн предсказал, что по мере своего движения в пространстве и времени сверхтяжёлые объекты создают рябь, которая проходит по ткани Вселенной — иногда эту рябь называют фоновой музыкой Вселенной. В 2015 году эксперимент LIGO помог обнаружить гравитационные волны и доказать правоту Эйнштейна, но до сих пор они фиксировались лишь на высоких частотах. То были отдельные быстрые «щебетания», которые происходят только в определённые моменты, например, когда друг с другом сталкиваются относительно небольшие чёрные дыры и мёртвые звезды.

В последнем исследовательском проекте учёные пытались обнаружить гравитационные волны на гораздо более низких наногерцовых частотах — периоды этой медленной ряби могут составлять годы и даже десятилетия. Исходит она, вероятно, из самых больших объектов Вселенной — сверхмассивных чёрных дыр массой в миллиарды солнечных. Но есть и другие «подозреваемые»: космические струны, фазовые изменения Вселенной, быстрое расширение пространства после Большого Взрыва. Возможно, и сам Большой Взрыв, но длина гравитационной волны от него была бы размером во Вселенную, и для неё потребовался бы детектор сравнимых масштабов.

Галактики во Вселенной постоянно сталкиваются и сливаются. Схожие процессы наблюдаются и у сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Они сближаются, вращаются вокруг друг друга и в итоге тоже сливаются, испуская во время взаимодействия гравитационные волны. Если сравнить столкновение сверхмассивных чёрных дыр с брошенным в пруд камнем, то создаваемая им рябь на поверхности пруда — это низкочастотные гравитационные волны. Они расходятся одновременно во все стороны со скоростью света, сжимая и растягивая пространство и время. Зафиксировать эту рябь напрямую доступными человеку инструментами невозможно — длина такой наногерцовой волны может измеряться световыми годами. Проще говоря, Земля слишком мала, и понадобился бы детектор галактических масштабов. На их обнаружение непрямыми методами у учёных NANOGrav ушло 15 лет, и в своей работе они использовали оборудование, установленное по всей Северной Америке. Астрономы других стран опирались на результаты исследований, продолжавшихся до 18 лет.

Обсерватория Very Large Array. Источник изображения: nrao.edu

Мы живём в галактике, которая намного больше Земли, и в ней есть объекты, при помощи которых можно непрямыми методами зафиксировать признаки низкочастотных гравитационных волн. Это радиопульсары — мёртвые звёзды, которые при вращении испускают всплески электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне. Эти всплески отличаются строгой периодичностью как своего рода идеально точные часы, расположенные далеко в космосе. Но по мере того как гравитационные волны искажают ткань пространства и времени, они изменяют расстояние между Землёй и этими пульсарами, искажая тем самым этот чрезвычайно стабильный ритм. Одного мелкого сбоя в периодическом событии, конечно, недостаточно. Но если отслеживать множество пульсаров в течение долгого времени и отмечать связанные сбои в частоте радиовсплесков, действительно можно зафиксировать признаки низкочастотной гравитационной волны.

В рамках исследовательского проекта астрономы NANOGrav наблюдали за 68 пульсарами при помощи радиотелескопов «Грин-Бэнк» (США, Западная Вирджиния), «Аресибо» (Пуэрто-Рико) и Very Large Array (США, Нью-Мексико). Аналогичные свидетельства нашли другие команды учёных, следившие за другими пульсарами при помощи телескопов по всему миру. Всего было собрано материала по 115 пульсарам за 18 лет. Астрономия временных массивов пульсаров — долгосрочный проект, но учёные уже максимально близки к подтверждению открытия. Исследователи объединили данные своих наблюдений — окончательный результат должен быть получен в течение года или двух.

К сожалению, этот метод не позволяет отследить, откуда именно исходят те или иные низкочастотные гравитационные волны — он просто раскрывает постоянный гул, окружающий нас. Аналогичным образом человек на шумной вечеринке слышит, что множество людей разговаривает, но не может расслышать ничего конкретного.

Уже сейчас есть причины утверждать, что обнаруженный учёными фоновый шум низкочастотных гравитационных волн оказался «громче», чем ожидалось. Это может означать, что слияния чёрных дыр происходят чаще, чем считалось, или наше представление о природе Вселенной не вполне соответствует действительности. Исследователи надеются, что открытие поможет нам узнать больше о сверхмассивных объектах Вселенной, открыть новые двери «космической археологии» и отследить историю слияния чёрных дыр и галактик вокруг нас.