Гравитационные волны: случайный фон Вселенной, источник данных о черных дырах и ранней Вселенной. Обнаружение GWB – ключ к новым астрофизическим открытиям.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Случайный фон гравитационных волн, пронизывающий Вселенную.
Random background of gravitational waves permeating the Universe
Гравитационный волновой фон (также GWB и стохастический фон) — это случайный фон гравитационных волн, пронизывающий Вселенную, обнаруживаемый в экспериментах по регистрации гравитационных волн, таких как массивы синхронизации пульсаров. Сигнал может быть изначально случайным, например, возникающим в результате стохастических процессов в ранней Вселенной, или же формироваться как некогерентная суперпозиция большого числа слабых, независимых и неразрешимых источников гравитационных волн, таких как двойные сверхмассивные черные дыры. Обнаружение гравитационного волнового фона может предоставить информацию об астрофизических популяциях источников, недоступную другими методами, например, о гипотетических древних двойных сверхмассивных черных дырах, а также о процессах в ранней Вселенной, таких как гипотетическая первичная инфляция и космические струны.
The gravitational wave background (also GWB and stochastic background) is a random background of gravitational waves permeating the Universe, which is detectable by gravitational wave experiments, like pulsar timing arrays. The signal may be intrinsically random, like from stochastic processes in the early Universe, or may be produced by an incoherent superposition of a large number of weak independent unresolved gravitational wave sources, like supermassive black hole binaries. Detecting the gravitational wave background can provide information that is inaccessible by any other means about astrophysical source population, like hypothetical ancient supermassive black hole binaries, and early Universe processes, like hypothetical primordial inflation and cosmic strings.
Астрофизические источники
Астрофизический фон создается совокупным шумом множества слабых, независимых и неразрешимых астрофизических источников. Например, астрофизический фон от слияний двойных черных дыр звездной массы, как ожидается, будет ключевым источником стохастического фона для нынешнего поколения наземных детекторов гравитационных волн. Детекторы LIGO и Virgo уже зарегистрировали отдельные гравитационные волны от таких слияний черных дыр. Однако существует большая популяция подобных слияний, которые не будут разрешимы по отдельности, что приведет к появлению случайного шума в детекторах. Другие астрофизические источники, которые не могут быть разрешены индивидуально, также могут формировать фон. Например, достаточно массивная звезда на финальной стадии эволюции коллапсирует, образуя либо черную дыру, либо нейтронную звезду — при быстром коллапсе в последние моменты взрывной сверхновой, приводящей к такому образованию, гравитационные волны теоретически могут излучаться. Альтернативным методом наблюдения является использование массивов синхронизации пульсаров (PTA). Три консорциума — Европейский массив синхронизации пульсаров (EPTA), Североамериканская наногерцевая обсерватория гравитационных волн (NANOGrav) и массив синхронизации пульсаров Паркса (PPTA) — координируют свою работу в рамках Международного массива синхронизации пульсаров. Они используют радиотелескопы для мониторинга галактического массива миллисекундных пульсаров, который формирует детектор галактического масштаба, чувствительный к гравитационным волнам с низкими частотами в диапазоне от наногерц до 100 наногерц. Для обнаружения сигнала с использованием существующих телескопов требуются годы наблюдений, а чувствительность детекторов постепенно повышается. Пределы чувствительности приближаются к ожидаемым для астрофизических источников. Сверхмассивные черные дыры массой от 10⁵ до 10⁹ солнечных масс находятся в центрах галактик. Неизвестно, что появилось раньше — сверхмассивные черные дыры или галактики, и как они эволюционировали. При слиянии галактик ожидается, что их центральные сверхмассивные черные дыры также сольются. Эти сверхмассивные двойные системы производят потенциально самые сильные низкочастотные сигналы гравитационных волн; самые массивные из них являются потенциальными источниками наногерцевого гравитационно-волнового фона, который в принципе может быть обнаружен с помощью PTA.
An astrophysical background is produced by the combined noise of many weak, independent, and unresolved astrophysical sources. For instance the astrophysical background from stellar mass binary black hole mergers is expected to be a key source of the stochastic background for the current generation of ground based gravitational wave detectors. LIGO and Virgo detectors have already detected individual gravitational wave events from such black hole mergers. However, there would be a large population of such mergers which would not be individually resolvable which would produce a hum of random looking noise in the detectors. Other astrophysical sources which are not individually resolvable can also form a background. For instance, a sufficiently massive star at the final stage of its evolution will collapse to form either a black hole or a neutron star—in the rapid collapse during the final moments of an explosive supernova event, which can lead to such formations, gravitational waves may theoretically be liberated. An alternative means of observation is using pulsar timing arrays (PTAs). Three consortia—the European Pulsar Timing Array (EPTA), the North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), and the Parkes Pulsar Timing Array (PPTA)—coordinate as the International Pulsar Timing Array. They use radio telescopes to monitor the galactic array of millisecond pulsars, which form a galactic scale detector sensitive to gravitational waves with low frequencies in the nanohertz to 100 nanohertz range. With existing telescopes, many years of observation are needed to detect a signal and detector sensitivity improves gradually. Sensitivity bounds are approaching those expected for astrophysical sources. Supermassive black holes with masses of 105–109 solar masses are found at the centers of galaxies. It is not known which came first, supermassive black holes or galaxies, or how they evolved. When galaxies merge, it is expected that their central supermassive black holes merge too. These supermassive binaries produce potentially the loudest low frequency gravitational wave signals; the most massive of them are potential sources of a nanohertz gravitational wave background, which is in principle detectable by PTAs.
Обнаружение
11 февраля 2016 года коллаборации LIGO и Virgo объявили о первом прямом обнаружении и регистрации гравитационных волн, произошедшем в сентябре 2015 года. В данном случае столкновение двух черных дыр привело к возникновению обнаруживаемых гравитационных волн. Это первый шаг к возможному обнаружению гравитационного волнового фона (GWB). В тот же день были опубликованы наблюдения, полученные EPTA, обсерваторией Паркс и Китайским массивом синхронизации пульсаров (CPTA), что позволило провести перекрестную проверку данных, подтверждающих существование GWB, с использованием различных телескопов и методов анализа. Эти наблюдения дали первое измерение теоретической кривой Хеллингса — Даунса, то есть квадрупольной корреляции между двумя пульсарами в зависимости от их углового расстояния на небе, что является характерным признаком гравитационно-волновой природы наблюдаемого фона. Источники этого гравитационного волнового фона пока не могут быть установлены без дальнейших наблюдений и анализа, однако в качестве основных кандидатов рассматриваются двойные системы сверхмассивных черных дыр.
On 11 February 2016, the LIGO and Virgo collaborations announced the first direct detection and observation of gravitational waves, which took place in September 2015. In this case, two black holes had collided to produce detectable gravitational waves. This is the first step to the potential detection of a GWB. Observations from EPTA, Parkes Observatory and Chinese Pulsar Timing Array (CPTA) were also published on the same day, providing cross validation of the evidence for GWB using different telescopes and analysis methods. These observations provided the first measurement of the theoretical Hellings–Downs curve, i. e., the quadrupolar correlation between two pulsars as a function of their angular separation in the sky, which is a telltale sign of the gravitational wave origin of the observed background. The sources of this gravitational wave background can not be identified without further observations and analyses, although binaries of supermassive black holes are leading candidates.