В 2023 году астрофизики обнаружили колебания пространства-времени, что поставило их в тупик. Учёные всё ещё стремятся найти источник постоянного, хоть и слабого, «гула» гравитационных волн, которые были обнаружены в прошлом году во Млечном пути. Новые исследования показывают, что эти волны могут иметь несколько источников.

Исследовательская группа North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) предполагает, что колебания пространства-времени могли возникнуть в результате слияния сверхмассивных чёрных дыр, каждая из которых в миллиард раз массивнее Солнца. Если эта гипотеза верна, то дальнейшие исследования помогут определить местоположение и массу этих гигантских космических объектов.

Однако, Хуан Уррутиа из Национального института физической химии и биофизики в Эстонии отмечает, что наличие только одной пары чёрных дыр не исключает космологического происхождения сигналов. Его исследование показало, что помимо гипотезы о чёрной дыре, ещё трое предложенных космологических источников могут объяснить эти данные. Это означает, что гравитационный сигнал может быть результатом смешанного набора разных источников.

Художественная интерпретация массива пульсаров, подвергающихся воздействию гравитационной ряби, создаваемой сверхмассивной двойной чёрной дырой. Источник: Aurore Simonnet / NANOGrav

Учёные отмечают, что это серьёзная проблема, так как многие сигналы похожи друг на друга. Экзотические космологические процессы, происходящие в ранней Вселенной, включают такие источники, как космические струны, фазовые переходы и границы доменов – высокоэнергетические явления. Все они могут оказаться одним из источников сигналов гравитационных волн.

Особенно интересно, что границы доменов возникли сразу после Большого Взрыва, но до распространения излучения по всей Вселенной. Поэтому, если новые результаты и подтвердят гипотезу о границах доменов, то обнаруженный сигнал будет наиболее близким к началу Вселенной.

Кроме того, исследования фазовых переходов могут также помочь в поиске тёмной материи и тёмной энергии, которые составляют 95% Вселенной, но остаются невидимыми. Гравитационные волны, создаваемые поведением границ доменов, могут содержать большое количество энергии и приводить к формированию скоплений тёмной материи.

Когда границы доменов движутся и эволюционируют, они содержат большое количество энергии и испускают гравитационные волны. В какой-то момент они распадаются, из чего образуются скопления тёмной материи, — сказал Уррутиа

Это особенно интересно, так как эти сложные структуры, которые были предложены более 50 лет назад, могут быть объяснением того, почему в нашей Вселенной имеется больше барионной материи, чем антиматерии. В отличие от барионной материи, состоящей из положительных протонов и отрицательных электронов, антиматерия состоит из отрицательных протонов и положительных электронов.

Поскольку в результате Большого Взрыва должно было появиться равное количество антиматерии и барионной материи, наша Вселенная, теоретически, должна состоять из равных количеств обоих. На самом деле барионная материя полностью преобладает.

С другой стороны, фазовые переходы предоставляют учёным возможность изучить различные фазы развития ранней Вселенной, которые создали известные нам барионные электроны, протоны и нейтроны. Как в случае с кипением воды, космические фазовые переходы были вызваны изменениями в температуре Вселенной, где «пузырьки» взаимодействовали друг с другом, создавая гравитационные волны, подобные тем, которые были недавно обнаружены.

Обнаружение и идентификация сигналов гравитационных волн является сложной задачей для астрофизиков, особенно при ограниченных возможностях существующих телескопов. На данный момент Лазерный интерферометр гравитационных волн LIGO способен обнаруживать только высокочастотные волны.

Однако учёные уже готовятся к запуску Лазерного интерферометрического космического антенного комплекса LISA, — трёхспутниковой сети, который будет способен обнаруживать более низкочастотные волны, подобные тем, которые были недавно обнаружены. Планируется, что LISA будет запущен в 2037 году и его точность измерений будет настолько высока, что он сможет регистрировать изменения размером меньше диаметра ядра гелия на расстоянии миллиона миль.

Кроме того, предложенный в 2020 году эксперимент по изучению тёмной материи и гравитации AEDGE сможет помочь в поиске гравитационных волн в частотных диапазонах между теми, что будут «слышимыми» LISA и LIGO.

Однако для достижения обещанной точности будущих детекторов, необходимо иметь конкретные предсказания и руководства для астрофизиков о том, на что следует обращать внимание и как интерпретировать полученные данные, отмечает Уррутиа: «Научное сообщество прилагает огромные усилия, чтобы обеспечить максимально точные вычисления и руководства перед запуском этих новых экспериментов».