Гравитационно-волновой фон Вселенной и его загадки: являются ли сверхмассивные черные дыры ключом к разгадке?

После обнаружения фонового шума гравитационных волн, который повсеместно распространен во Вселенной, возникает множество гипотез его объяснения. Это открытие потенциально связано со слиянием сверхмассивных черных дыр. Последствия этого открытия весьма обширны и могут коренным образом изменить наше понимание различных важнейших космических явлений, таких как черные дыры, темная материя и эволюция Вселенной.

28 июня этого года научное сообщество было потрясено сообщением: обнаружен фоновый шум гравитационных волн, который повсеместно присутствует во Вселенной. Это открытие, сделанное Североамериканской наногерцовой гравитационно-волновой обсерваторией (NANOGrav), вызвало большой интерес и породило множество вопросов. Гравитационные волны, предсказанные общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, представляют собой пульсации в пространстве-времени, возникающие в результате бурных космических событий. Обнаружение гравитационных волн открывает новое окно во Вселенную, позволяя изучать явления, которые ранее были недоступны.

Обнаруженный сигнал, который может быть результатом слияния сверхмассивных черных дыр, вызвал волну дискуссий и гипотез в научном сообществе. Однако обнаруженный сигнал имеет неожиданные характеристики, которые не совсем укладываются в существующие модели. Это привело к появлению множества потенциальных объяснений, каждое из которых пытается разгадать эту космическую тайну.

Множество различных объяснений

Для объяснения фонового шума гравитационных волн было выдвинуто несколько теорий. Наиболее распространенное объяснение заключается в том, что он возникает в результате слияния сверхмассивных черных дыр, расположенных в центре галактик. Авторы использовали для моделирования эволюции этих черных дыр и их влияния на гравитационные волны космологическую модель Illustris.

Согласно модели, сверхмассивные черные дыры по мере приближения к слиянию излучают более сильные гравитационные волны. Это может объяснить, почему сигнал, обнаруженный NANOGrav, сильнее на более высоких частотах, чем предсказывают существующие модели. Однако это явление еще предстоит объяснить.

Однако авторы подчеркивают, что их модель имеет определенные ограничения. Она не учитывает некоторые релятивистские эффекты, которые могут влиять на генерацию гравитационных волн. Кроме того, она основана на предположениях о распределении массы сверхмассивных черных дыр, которые могут быть неточными.

От сверхмассивных черных дыр к космическим струнам

В исследовании, проведенном под руководством Джона Эллиса из Королевского колледжа Лондона, предлагается альтернативное объяснение. Согласно этой теории, когда сверхмассивные черные дыры начинают сливаться, они должны проходить через окружающий газ и звезды, что приводит к потере энергии, которая в противном случае была бы излучена в виде гравитационных волн. Однако по мере сближения черных дыр и увеличения частоты гравитационных волн газ и звезды оказывают меньшее влияние, и больше энергии преобразуется в волны.

Хотя данное и предыдущее исследования согласны с тем, что сверхмассивные черные дыры по мере приближения к слиянию порождают более сильные гравитационные волны, они расходятся во мнениях относительно конкретных механизмов, которые могут быть задействованы.

Другое, более экзотическое объяснение предлагает Том Бродхерст из Университета Страны Басков. По его мнению, сливающиеся черные дыры могут быть окружены ореолом темной материи - загадочного вещества, составляющего большую часть Вселенной, но пока не обнаруженного непосредственно. Эта теория была проверена с помощью моделирования на основе данных NANOGrav, но она не смогла воспроизвести наблюдаемые высокочастотные данные.

Другие исследователи обращают внимание на еще более удивительные источники гравитационных волн. Согласно рассматриваемым теориям, источником гравитационных волн могут быть космические струны - теоретические объекты размером со Вселенную, но тоньше протона. Эти струны, если они существуют, должны были образоваться во время резкого фазового перехода в первозданной Вселенной - подобно образованию трещин при замерзании воды в лед.

Первобытные черные дыры на краю Вселенной

Другой вариант - первобытные черные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной из скоплений субатомной материи, настолько плотных, что они свернули пространство-время. Эти черные дыры должны были создавать свой собственный гравитационный волновой сигнал, отличный от сигнала сверхмассивных слияний черных дыр, которые мы наблюдаем сегодня.

В исследовании, проведенном под руководством Кая Шмидта-Хоберга из Немецкого электронного синхротрона, смоделирован тип сигнала, который может быть порожден популяцией этих первобытных черных дыр. Результаты показывают, что эти черные дыры могли бы соответствовать сигналу, наблюдаемому NANOGrav, только в том случае, если бы они были сгруппированы в скопления в ранней Вселенной, а не распределены равномерно по всему космосу.

На пути к более глубокому пониманию космоса

Эти различные теории, несмотря на их интересность, пока остаются гипотезами. Для раскрытия этих возможностей потребуются новые инструменты. Одним из них является лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA) - комплекс из трех космических аппаратов, предназначенных для обнаружения частот, превышающих NANOGrav. Эти более высокие частоты могли бы позволить отличить предсказания о космических струнах и сверхмассивных черных дырах.

Обнаружение этого гравитационного волнового фона является еще одним шагом на пути к более глубокому пониманию Вселенной. Каждое новое наблюдение, каждая новая теория приближают нас к ответу на один из самых больших вопросов физики: из чего на самом деле состоит Вселенная?

источник: