В 2023 году международный консорциум NANOGrav и ряд других коллабораций объявили о регистрации стохастического гравитационного фона — своеобразного низкочастотного «гула» Вселенной. Для его поиска астрофизики использовали не привычные наземные интерферометры, а пульсары — мертвые вращающиеся звезды.
Как этот сигнал может быть связан с экзотическими доменными стенками в ранней Вселенной, почему они должны были «растаять» и из чего на самом деле состоит темная материя? Об этом «Ъ» рассказал член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН Дмитрий Горбунов.
Пульсары вместо лазеров
— Дмитрий Сергеевич, отправная точка вашей недавней работы — данные проекта NANOGrav. В отличие от проектов LIGO и Virgo, где гравитационные волны регистрируют с помощью гигантских лазерных интерферометров, здесь использовались пульсары. В чем суть этого метода?
— Действительно, коллаборация NANOGrav, а также европейские, индийские, китайские и австралийские радиоастрономы мониторят сигналы от далеких миллисекундных пульсаров. Пульсары — это источники, радиосигналы от которых приходят к нам с поразительной периодичностью. Но этот период оказывается немножко нестабильным. Он зависит от того, что происходит с самим пульсаром, от того, как движемся мы, и, главное, от того, что происходит с пространством на пути сигнала.
Если между нами и пульсаром проходит гравитационная волна, пространство искажается, и частота приходящих импульсов определенным образом сдвигается. Идея использовать пульсары для регистрации гравитационных волн принадлежит нашему соотечественнику, выдающемуся астрофизику Михаилу Сажину. Еще в 1978 году он предложил этот метод. Сначала думали смотреть за одним источником, но потом стало ясно, что для исключения помех нужно следить сразу за целой популяцией пульсаров и искать в сдвигах их сигналов специфическую пространственную корреляцию. Именно это, спустя десятилетия накопления данных, и реализовали в проекте NANOGrav.
Если сигнал идет к нам во Вселенной, и там есть такие гравитационные волны, он определенным образом изменяется, изменяется его частота. В принципе, такое явление используют, например, при изучении реликтового излучения — это другой важный источник информации о ранней Вселенной, который нам давно доступен. Если во Вселенной присутствуют реликтовые гравитационные волны, то приходящий с фотонами реликтового излучения сигнал будет содержать определенный паттерн, который собственно и ищут. Но в случае с фотонами микроволнового фона его пока не нашли, что накладывает определенные ограничения на реликтовые гравитационные волны, которые могли бы образовываться в самой ранней Вселенной. А в нашем случае сигнал обнаружен — нашли изменения в наногерцовой области частот. Сигнал соответствующим образом сдвигается в разных направлениях, а также по времени — он чувствителен к присутствию таких гравитационных волн, которые называются стохастическими. То есть это не сигнал, который обусловлен каким-то одним источником.
— Этим сигнал, пойманный NANOGrav, отличается от того, что фиксируют детекторы LIGO?
— LIGO и Virgo видят мощные, но кратковременные всплески, когда сливаются системы двойных черных дыр или нейтронных звезд и происходят колоссальные выбросы энергии. Это как если бы вы стояли в темном лесу, и вдруг кто-то на секунду включил яркий прожектор. Детектор должен работать именно в этот момент, чтобы поймать прошедшую волну, иначе вы ее пропустите. Вы можете указать направление, откуда пришел сигнал, и в том направлении поискать что-то обычными телескопами.
В случае же с NANOGrav мы имеем дело со стохастическим (случайным) фоном. Это ситуация, когда источников гравитационных волн было очень много, они поработали, их сигналы наложились друг на друга и перемешались. Это похоже на реликтовое микроволновое излучение — фон, который равномерно заполняет всю Вселенную.
Загадка источника: черные дыры или ранняя Вселенная?
— Получается, источник этого гравитационного фона однозначно не определен?
— Абсолютно однозначной интерпретации пока нет. Самое прозаическое астрофизическое объяснение — это сливающиеся сверхмассивные черные дыры в центрах далеких галактик. Когда они вращаются друг вокруг друга, они постоянно излучают гравитационные волны.
Но тут есть нюанс. Амплитуда волны от конкретного источника должна падать с расстоянием (как единица на квадрат расстояния). Пульсары, за которыми мы наблюдаем, находятся в нашей галактике, относительно близко к нам — скажем, на расстоянии в несколько тысяч световых лет. Если источник волн находится в центре нашей галактики, а это около 25 тысяч световых лет, то пульсары, расположенные ближе к центру, должны почувствовать чуть более сильную амплитуду гравитационной волны. Возможно, это «чуть» мы пока не различаем. Амплитуда выглядит одинаковой на всем протяжении пути сигнала. Коллаборации честно оговариваются: лучше всего их данные описываются именно изотропным, равномерным стохастическим фоном, амплитуда которого ни от чего не зависит. А такой фон может быть связан с процессами в очень ранней Вселенной и поэтому рассматривается как один из наиболее интересных сценариев.
— Именно здесь вступает в игру ваша гипотеза о «тающих доменных стенках»? В чем была ее новизна?
— Экспериментаторы не просто нашли фон, они измерили его спектр — то есть амплитудно-частотную характеристику. Они выяснили, как амплитуда сигнала зависит от частоты (в районе наногерц, 10^–9 Гц). И этот спектр оказался довольно специфическим. У двойных черных дыр предсказывается один спектр, у фазовых переходов в ранней Вселенной — другой, у космических струн — третий.
Спектр, который мы рассчитали для модели «тающих доменных стенок» (melting domain walls), оказался очень хорошо согласован с данными NANOGrav: теоретическая кривая попадает в область экспериментальных ошибок. Разумеется, это вызвало у нас большой энтузиазм. Публикация вышла в престижном журнале Physical Review D и вошла в список итогов года по решению Национального центра физики и математики (НЦФМ).
Физика тающих стенок
— Что вообще такое «доменная стенка» в масштабах космологии? Искусственный интеллект предлагает поэтичные сравнения с трещинами на замерзающем озере, которые тают по весне...
— Звучит лирично, но с точки зрения физики всё устроено немного иначе. Доменная стенка — это двумерная структура в нашем трехмерном мире, обладающая плотностью энергии.
Чтобы это представить, вообразите большой прозрачный целлофановый пакет, который вы бросили в бак с водой и всё это взбаламутили. Пакет изогнется, натянется и разделит воду на ту, что с одной стороны от него, и ту, что с другой. С точки зрения гравитации доменная стенка — это такой вот изгибающийся «пакет», поверхность, которая несет энергию. Когда она движется, натягивается и колеблется, она генерирует гравитационные волны.
Еще одна хорошая аналогия — стадион. Представьте, что на матч пришли зрители, которые еще не решили, за кого болеть. Вдруг в одном секторе кто-то кричит: «Красные — чемпионы!», и все вокруг начинают болеть за красных. А на другом конце трибуны кто-то кричит за синих. Возникают области (домены) с разной ориентацией. А между ними образуется граница — доменная стенка. Соседи слева тянут людей болеть за красных, соседи справа — за синих. Возникает колоссальное «натяжение».
— А физически это что, скалярные поля, частицы?
— Это обычное скалярное поле. Если посмотреть на доменную стенку в разрезе, для нее существует красивое точное математическое решение под именем «кинк»: величина поля плавно меняется при переходе через стенку.
— А почему эти стенки должны «растаять»? И куда они исчезают?
— Это фундаментальный момент. Если бы доменные стенки, образовавшиеся в ранней Вселенной, сохранились до наших дней, они бы разрушили наблюдаемую космологическую картину.
Дело в том, что Вселенная расширяется. Плотность обычного вещества падает обратно пропорционально увеличению объема. Плотность излучения падает еще быстрее, потому что фотоны дополнительно «краснеют» и теряют энергию. А вот доменная стенка — это двумерный объект. При расширении Вселенной плотность ее энергии падает гораздо медленнее, чем у материи и радиации. В результате, если стенки стабильны, их относительный вклад в энергетический баланс Вселенной будет расти, и в какой-то момент они начнут доминировать. А мы точно знаем, что в нашей Вселенной они не доминируют (сначала доминировала радиация, потом темная материя, сейчас — темная энергия).
Следовательно, стенки обязаны были исчезнуть до эпохи первичного нуклеосинтеза (образования первых химических элементов). Тут и помогает «таяние»: симметрия восстановилась. Стенки пропали, истончились, но гравитационные волны, которые они успели породить своей бурной динамикой («баламутя воду» как в примере с целлофановым пакетом), остались. Они беспрепятственно летят сквозь Вселенную миллиарды лет, и сейчас мы их регистрируем. Во всяком случае спектр, который они производят, — а это мы как раз и вычисляли — оказался очень подходящим к тому, что NANOGrav объявил.
Отголоски в виде темной материи
— Ваша работа обещает комплексное решение: тающие стенки могут объяснить не только гравитационный гул, но и природу темной материи. Как они связаны?
— Когда доменные стенки разрушаются, энергия не исчезает бесследно. Поле, которое их образовывало (так называемое скалярное поле), переходит в состояние квантовых колебаний вокруг своего минимума: а это есть скалярные частицы.
Эти новые частицы стабильны, слабо взаимодействуют с обычным веществом и имеют определенную массу. По своим свойствам они относятся к классу аксионоподобных частиц (ALP — axion-like particles). И в определенном диапазоне параметров нашей модели эти частицы идеально подходят на роль темной материи. То есть один и тот же физический механизм в ранней Вселенной сначала генерирует гравитационные волны нужного спектра, а затем оставляет после себя «осколки» в виде частиц темной материи, которые сегодня удерживают галактики от распада.
— Можно ли экспериментально проверить эту связь? Ведь темную материю ищут уже десятилетиями.
— Да, и здесь появляется очень изящный способ проверки через астрофизику, а именно — эффект сверхизлучения (superradiance) черных дыр.
Большинство астрофизических черных дыр вращаются (так называемые керровские черные дыры), так как они образуются из вращающихся звезд или раскручиваются, поглощая материю с моментом импульса (в процессе аккреции). Если во Вселенной существуют сверхлегкие бозоны (те самые аксионоподобные частицы из нашей модели) с массой, определённым образом связанной с массой черной дыры, то черная дыра начнет эффективно «излучать» облако таких частиц, отдавая им энергию своего вращения.
В результате черная дыра быстро тормозится. Если мы в ходе астрономических наблюдений (например, через детекторы LIGO/Virgo) обнаружим большую популяцию старых черных дыр, которые почему-то почти не вращаются, это станет важным косвенным подтверждением потери ими углового момента из-за излучения частиц темной материи.
Решеточные артефакты и планы на будущее
— Каково дальнейшее развитие этой темы? Что делают теоретики, пока экспериментаторы копят новые данные?
— Сейчас идет работа сразу по нескольким направлениям. Во-первых, эксперты из нескольких консорциумов по пульсарам (включая группы в ГАИШ МГУ, участвующие в европейских проектах) пытаются объединить свои базы данных. Если сигнал реален, то совместный анализ данных разных радиотелескопов по одним и тем же пульсарам должен статистически усилить полученные результаты и лучше восстановить спектр фона.
Во-вторых, теоретики проверяют альтернативные объяснения — от сверхмассивных черных дыр до различных сценариев ранней Вселенной. Мы со своей стороны продолжаем развивать модель «тающих доменных стенок» и проверять, насколько она одновременно совместима и с данными NANOGrav, и с ограничениями космологии, и с возможными свойствами темной материи, уточняем наши предсказания с помощью компьютерных симуляций. Чтобы рассчитать динамику стенок, мы помещаем систему в виртуальную «решетку» — трехмерный кубик с периодическими граничными условиями (когда правая стенка кубика математически соединена с левой, имитируя бесконечное пространство).
Проблема в том, что такая дискретизация сама по себе порождает искажения — «решеточные артефакты» на самых высоких и самых низких частотах. Сейчас мы работаем над тем, чтобы математически вычистить эти артефакты и получить максимально чистый прогноз того, как спектр гравитационных волн должен вести себя в области максимума (на частотах, соответствующих обратному возрасту Вселенной в момент образования сигнала).
И наконец, появляются новые идеи поиска сопутствующих эффектов — например, через наблюдения вращающихся черных дыр и будущие гравитационноволновые эксперименты. Так что сейчас это скорее начало большой программы исследований, чем ее завершение.