Пульсари можуть розкрити таємницю космічної інфляції

У новому дослідженні запропоновано метод, який дозволяє відрізнити джерела наногерцових гравітаційних хвиль — інфляційний фон або надмасивні бінарні чорні діри — завдяки ефекту “биття” в сигналі пульсарів.

Пульсари — нейтронні зорі, які обертаються з високою швидкістю і випромінюють регулярні радіоімпульси, — стали природними детекторами змін простору-часу. У 2023 році міжнародні групи, зокрема NANOGrav, зафіксували статистично достовірні сигнали, які можуть свідчити про наногерцові гравітаційні хвилі. “Сигнал був статистично достовірним, але нижчим за поріг у 5 сигма”, — пояснює професор Хідекі Асада з Університету Хіросакі. Це означає, що відкриття ще не підтверджене, але вже є переломним моментом у пошуку найповільніших хвиль у Всесвіті.

Наногерцові хвилі мають надзвичайно великі довжини — від кількох світлових років — і можуть виникати або внаслідок космічної інфляції, або через надмасивні бінарні чорні діри, які утворюються під час злиття галактик. В обох випадках хвилі викривляють простір-час, що відображається у зміні ритму імпульсів від пульсарів. Проблема в тому, що обидва джерела можуть продукувати подібні кореляційні сигнали, і їх важко розрізнити за стандартними методами.

Асада і його колега Шун Ямамото запропонували новий підхід: виявити ефект “биття”, знайомий із акустики. “Якщо дві хвилі мають майже однакову частоту, їхнє накладання призводить до періодичного посилення і послаблення”, — пояснює Асада. Це явище, якщо його виявлено у пульсарних сигналах, вказуватиме на локалізоване джерело, а не на однорідний фон, типовий для інфляції. “Ця особливість може дозволити нам відрізнити їх від стохастичного фону інфляції”, — додає він.

Для реалізації методу використовується аналіз модуляцій у часі прибуття сигналів від кількох пульсарів, розташованих у різних частинах неба. У випадку з бінарними чорними дірами сигнал буде не хаотичним, а “бити” з певною періодичністю. Це як чути не просто шум, а відлуння двох гігантських космічних сердець, що пульсують в унісон на відстані мільйонів світлових років.

Виявлення такого ефекту стане доказом, що джерелом хвиль є конкретні астрофізичні об’єкти, а не ранні етапи існування Всесвіту. Це відкриття може вплинути на розуміння історії космічної еволюції, зокрема формування та злиття галактик. Наступні релізи даних, за словами Асади, можуть забезпечити необхідну точність для виявлення на рівні 5 сигма, що стане повноцінним підтвердженням.

“Я думаю, як тільки буде досягнуте підтверджене виявлення на 5-сигмі… наше дослідження допоможе визначити: інфляція це чи подвійні чорні діри”, — підсумовує Асада. Дослідження опубліковане в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics і є новим кроком у розшифровці “гравітаційної музики” космосу.