Пульсирующая Вселенная - Николай Николаевич Горькавый

обработки сигналов. В исследовании объявлялось о вероятном открытии наногерцовых гравитационных волн с периодом колебаний от 2 до 10 лет и уровнем безразмерной амплитуды 10–15. Статья вышла в окончательном варианте 24 декабря 2020 года. В 2021 году другая группа ученых подтвердила этот результат по независимым данным австралийского радиотелескопа (PPTA) в обсерватории Паркса (Goncharov et al., 2021). По 26 миллисекундным пульсарам группа PPTA нашла сигнал с периодом 1 год и амплитудой 2,2 × 10–15.

Гравитационные волны имеют квадрупольный характер. Поэтому гравитационные волны между наблюдателем и набором пульсаров должны вызывать не только задержки радиосигналов, но и корреляцию (или антикорреляцию) сигналов, приходящих от пар пульсаров, разнесенных по небу на значительное угловое расстояние. Как видно по данным NANOGrav и PPTA, такая квадрупольная корреляция есть, но она имеет слабую статистическую значимость. Из дискуссии, которая развернулась вокруг этой проблемы (см. Приложение II и ссылки в статье Gorkavyi, 2022), следует, что для слабой статистической значимости квадрупольности сигнала есть определенные причины, и с дальнейшим ростом статистики признаки квадрупольности должны быть более явными. Если квадрупольность будет подтверждена на хорошем уровне достоверности, тогда наногерцовые колебания сигнала пульсаров получат однозначную интерпретацию как гравитационные волны (хотя никаких альтернативных гипотез — чем иным могут быть объяснены эти колебания? — выдвинуто не было). Летом 2023 года были опубликованы результаты анализа 15-летней базы данных, которые были получены до разрушения радиотелескопа в Аресибо (Пуэрто-Рико) в середине 2020 года. Это позволило уверенно подтвердить квадрупольный характер наногерцовых гравитационных волн (Агази и др., 2023).

Для образования стохастического фона гравитационных волн и объяснения результатов NANOGrav и PPTA были выдвинуты не только гипотеза о парах сверхмассивных черных дыр в центрах слившихся галактик, но и целый ряд других идей, которые будут обсуждены в следующем разделе.

20.2. Ключевое подтверждение для модели циклической Вселенной

Стандартная космологическая модель LCDM дает превосходное описание широкого спектра астрофизических и астрономических данных. Однако есть несколько больших проблем, из-за которых стандартная модель выглядит как первое приближение к более реалистичному сценарию, который еще предстоит полностью понять.

Э. Ди Валентино и др. (2020)

Гипотезы о природе источника обнаруженных наногерцовых волн, которые выдвинуты в литературе, можно поделить на 4 класса.

A. Классическая модель: наблюдаемый стохастический фон гравволн образован гравитационным излучением от сравнительно недалеких двойных сверхмассивных черных дыр. Речь идет не о финальном всплеске излучения в момент слияния дыр, а об излучении, которое испускается достаточно продолжительное время перед слиянием. В такой модели есть серьезные проблемы. В первую очередь, неизвестно количество двойных сверхмассивных черных дыр в галактиках. Неопределенности в оценке могут достигать нескольких порядков. Во-вторых, расчеты вероятности сближения и слияния таких дыр весьма затруднительны, особенно когда расстояние между этими дырами становится сравнимо с несколькими световыми годами: трудно найти тормозящие факторы, которые принуждают черные дыры к дальнейшему сближению (проблема финального парсека). На взаимном расстоянии в парсек двойные черные дыры могут вращаться с периодом в тысячи лет. Чтобы генерировать излучение с периодами порядка года, им нужно сократить это расстояние в сто раз. Остается неясным, с какой вероятностью вращающиеся SMBH преодолеют за космологическое время этот последний парсек и дойдут до стадии мощного гравитационного излучения.

B. Квантовые и прочие экзотические модели космологии с многочисленными гипотезами: от флуктуаций квантовых полей до лопающихся гигантских космических струн и разрушения стенок гипотетических фазовых переходов. Все эти модели имеют один базисный (его лучше назвать фатальным) недостаток: под ними нет фундаментальной проверенной теории типа ОТО, они основаны на сугубо гипотетических предположениях. Само обилие взаимоисключающих, преимущественно квантовых, моделей происхождения фона наногерцовых гравитационных волн значительно снижает вероятность того, что верна хотя бы одна из них.

C. Первичные черные дыры, возникшие после Большого взрыва. Для образования таких дыр тоже нужны какие-то гипотезы ad hoc типа коллапса флуктуаций нужного размера и амплитуды, которые возникают или в существующей среде, или в гипотетических полях. Сравнительно высокочастотное гравитационное излучение, возникшее при взаимных слияниях первичных дыр в раннюю эпоху Вселенной, растянулось к настоящему времени в наногерцовую область.

D. Реликтовые черные дыры, возникшие при взрывах сверхновых прошлых космологических циклов и перешедшие в наш цикл. Наиболее многочисленными в таком распределении являются черные дыры звездных масс, причем возле границы минимальных масс — около 5–10 масс Солнца (см. илл. 13). Такие дыры при слиянии генерируют сравнительно высокочастотное (около сотни герц) гравитационное излучение, которое уменьшило свою частоту к нынешней эпохе до наногерц (см. обсуждение в главе 19). Фактически GWB является древними гравитационными волнами, аналогичными тем, которые обнаружил LIGO, только увеличившие длину волн в 1010 раз из-за расширения Вселенной.

Отметим, что три первых класса гипотез приводят к достаточно плавному спектру наногерцовых гравволн. В этих гипотезах, насколько известно автору, нет каких-либо физических причин предполагать характерные особенности спектра в виде острых пиков или провалов. Например, сверхмассивные черные дыры, на которых основана первая модель, имеют спектр масс протяженностью пять порядков величины и любые взаимные расстояния на последнем парсеке. В отличие от других, последняя модель гораздо более конкретна. Ведь она предполагает, что черные дыры образуются в результате взрывов сверхновых, которые порождают или черные дыры, или нейтронные звезды, а они при определенных условиях могут впоследствии превратиться в черные дыры — например, при слиянии двух нейтронных звезд. Поэтому в такой модели спектр наногерцовых гравволн тянется далеко в область длинных волн, а вот в области коротких волн или высоких частот он должен обрываться. Дело в том, что частота гравитационных волн, возникающих при слиянии черных дыр, задается частотой орбитального вращения или, в пике излучения, минимальным взаимным расстоянием, то есть радиусом дыр, а следовательно, их массой. Чем мельче черная дыра, тем более высокочастотную волну она породит при слиянии с такой же дырой. Но астрофизическое происхождение накладывает теоретическое ограничение на массу дыр — они не могут быть меньше 3–4 масс Солнца, и это подтверждается наблюдательными данными LIGO и других гравитационных детекторов (илл. 13). Следовательно, именно такие дыры и дадут самую высокочастотную волну, которая сейчас должна быть как раз в районе 3,2 × 10–8 Гц. Если уменьшить массу, то это будет уже не черная дыра, а нейтронная звезда, у которой радиус больше, а следовательно, и частота гравволн при слиянии будет меньше. Значит, если наблюдаемые наногерцовые волны порождаются реликтовыми дырами, то после частот >3,2 × 10–8 Гц будет провал, практически отсутствие гравволн.

Горькавый (Gorkavyi, 2022) построил простую модель формирования спектра наногерцовых гравволн, взяв за основу спектр по размерам черных