В некотором смысле это очень похоже на работу интерферометров LIGO и Virgo, а Земля и пульсары эквивалентны тестовым массам в концах каждого плеча детектора. С той только разницей, что для пульсаров необходимо собирать данные многие годы, из-за того что в этом случае длина волны гравитационных волн очень велика.
Бейкер хотел сделать именно это. В начале 2000-х годов совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли, а также с астрономами Дэвидом Найсом из колледжа Лафайет в Истоне, штат Пенсильвания, и Ингрид Стэйрс из Университета Британской Колумбии он начал хронометрирование группы миллисекундных пульсаров с большой точностью с помощью телескопов Arecibo и GBT.
Для анализа данных они применяли метод Хеллингса – Даунса. Их цель состояла в том, чтобы обнаружить гравитационные волны или, по крайней мере, наложить ограничения на их параметры, установив окно для измерений, в котором, как они полагали, когда-нибудь можно будет обнаружить гравитационную волну. “Потихоньку пятеро ученых образовали небольшую группу и начали хронометрирование пульсаров. На этом этапе они не прилагали огромных усилий”, – говорит Рэнсом.
Но об этом проекте узнали, и им заинтересовались другие астрономы. В частности, Дику Манчестеру, живущему в Австралии, эта идея настолько понравилась, что он подал заявку – ив 2003 году получил большой грант от правительства на то, чтобы начать применять эту методику в больших масштабах. В результате, говорит Рэнсом, ему выделили “достаточно времени для работы на телескопе Parkes и деньги на приглашение постдоков. По сути, он создал антенную систему Паркса для хронометрирования пульсаров (РРТА, Pulsar Parkes Timing Array)”. Манчестер надеялся, что через пять лет эта антенная система сможет зарегистрировать гравитационные волны. Эти оптимистические короткие сроки побудили других астрономов по всему миру серьезно отнестись к задаче использования хронометрирования пульсаров для обнаружения гравитационных волн.
Примерно в то же время к ним присоединились европейские астрономы, объединив радиотелескопы Westerbork Synthesis Radio Telescope, Effelsberg Radio Telescope, Nanpay Radio Telescope и Sardinia Radio Telescope с телескопом Lovell в Европейскую антенную систему хронометрирования пульсаров. В Соединенных Штатах Рэнсом тоже был охвачен азартом. “Мы знали, что у нас есть два лучших радиотелескопа в мире: Arecibo и GBT”, – говорит он. И с десятком других американских астрономов, специалистов по пульсарам, они устроили совещание. “Мы пригласили Дона Бейкера и его небольшую группу и сказали: «Вот вы, ребята, делаете этот небольшой проект. А австралийцы работают над этой задачей в полную силу в рамках огромного проекта. Давайте сделаем правильный шаг, мы пришли сюда, чтобы работать с вами»”, – вспоминает Рэнсом. Они согласились сотрудничать, а через несколько лет, получив несколько грантов, в 2009 году создали NANOGrav (Североамериканскую наногерцевую обсерваторию гравитационных волн). Эта североамериканская антенная система хронометрирования пульсаров в настоящее время занимается изучением более семидесяти пульсаров12.
Эти три проекта продолжались более десяти лет, но до сих пор ни одно из сообществ не обнаружило гравитационные волны. Тем не менее хронометрирование пульсаров регулярно преподносит сюрпризы. Однажды в 2012 году Райан Линч, в то время постдок в Университете Макгилла, просматривал данные наблюдений пульсаров, которые GBT проводил в течение десяти лет. Он наткнулся на миллисекундный пульсар, который теперь называется MSP J0740 + 6620, и после нескольких месяцев наблюдения понял, что это невероятно точные часы. Вместе с группой коллег, среди которых был Скотт Рэнсом, Линч начал его хронометрирование с помощью обсерватории NANOGrav. Вскоре Линч заметил, что у пульсара может быть звезда-компаньон, и учет этого позволил постдоку Эммануэлю Фонсека и аспирантке Санкфул Кромарти определить массу компаньона, а затем и самого пульсара. Кромарти руководила этими исследованиями, в результате которых выяснилось, что этот пульсар был самой массивной нейтронной звездой из всех когда-либо обнаруженных – с колоссальной массой, равной 2,14 массы Солнца13.
Но гравитационных волн пока не обнаружено. Астрономы до сих пор не знают, существуют ли сверхмассивные черные дыры, которые действительно подходят близко друг к другу и готовы слиться. Хотя они и обнаружили галактики с двумя активными галактическими ядрами, что свидетельствует о том, что эти две галактики слились и их черные дыры начинают, вальсируя, сближаться. “На их слияние уйдут миллионы лет, может быть, даже сотни миллионов лет, – говорит Рэнсом. – К счастью, во всей Вселенной всегда есть сливающиеся друг с другом галактики”.
Однако ученые не собираются сдаваться – за последнее десятилетие они узнали намного больше о том, как галактики сталкиваются. Они также добились большого прогресса в разработке моделей и методов расчета, которые позволяют лучше очистить данные от шума и влияния межзвездной среды. Все эти шаги помогают ученым лучше понимать и описывать движение Солнечной системы. По оценкам Рэнсома, в течение этого десятилетия астрономы наконец обнаружат гравитационные волны, испускаемые сверхмассивными черными дырами, используя хронометрирование пульсаров.
Первой целью хронометрирования массивов пульсаров является регистрация фона гравитационных волн, возникавших на протяжении эволюции Вселенной при слияниях сверхмассивных черных дыр. Это непростая задача: представьте, что вы находитесь в переполненной комнате, где все разговаривают. Попытка обнаружить определенную гравитационную волну похожа на попытку подслушать конкретный разговор в этой комнате. При сильном фоновом шуме все, что вы можете услышать, – это гул. И подобный гул – это именно то, что ученые пытаются отследить с помощью антенных систем для хронометрирования массива пульсаров, то есть уловить объединенные сигналы тысяч или даже миллионов сверхмассивных черных дыр, находящихся в процессе слияния. “На это уходит очень много времени. Мы не собираемся искать то, что видит LIGO, который позволяет увидеть реальное слияние, – говорит Рэнсом, – мы наблюдаем эти черные дыры за тысячи или даже десятки тысяч лет до их слияния. Но когда они подходят очень близко друг к другу, то излучают гравитационные волны, то есть на ткани пространства-времени возникает периодическая рябь. И когда волны складываются все вместе по всей Вселенной, они образуют тот самый фон, который мы пытаемся обнаружить”.
Как только астрономы обнаружат такие сверхдлинные гравитационные волны, станет возможным узнать, сколько сверхмассивных черных дыр существует, как часто они сливаются и почему. Что заставляет их слиться – только ли гравитация? Или, возможно, рядом с черной дырой есть много избыточного газа или звезд, из-за которых они сливаются быстрее, чем это произошло бы, если бы они делали это только из-за гравитации?
Между тем и другие инструменты вот-вот присоединятся к охоте за сверхдлинными гравитационными волнами с помощью пульсаров. В 2034 году Европейское космическое агентство планирует запустить первый космический детектор гравитационных волн – LISA (Laser Interferometer Space Antenna, “лазерная интерферометрическая космическая антенна”). В то время как LIGO обнаруживает высокочастотные гравитационные волны от черных дыр со звездными массами, совершающих последние витки перед столкновением, а с помощью антенных систем для хронометрирования массивов пульсаров ученые надеются поймать сверхмассивные черные дыры, движущиеся по орбитам со скоростью один оборот за несколько лет, LISA будет изучать промежуточный диапазон: орбиты, оборот по которым занимает минуты. “Мы ожидаем, что LISA сможет обнаружить слияние белых карликов и окончательные слияния тех сверхмассивных черных дыр, которые NANOGrav обнаружит на ранней стадии спирального падения”, – говорит Линч. Астрономы знают, что существуют десятки тысяч двойных белых карликов, обращающихся друг относительно друга примерно с такой скоростью, но LISA также должна увидеть и другие интересные явления, такие как спиральное падение маленьких черных дыр на гораздо более крупные. Чтобы обнаружить низкочастотные, длинноволновые гравитационные волны, рождающиеся при всех этих событиях, LISA должна иметь очень длинные базы и вокруг не должно быть землетрясений и машин, развозящих пиццу, поэтому для этих целей было решено использовать группу из трех спутников, следующих за Землей по орбите вокруг Солнца14.
Что касается хронометрирования пульсаров, MeerKAT уже запустил проект MeerTlME, про который мы говорили раньше и который будет заниматься таймингом тысячи пульсаров. Ученые полагают, что антенная система для тайминга тысячи пульсаров должна придать большой импульс поиску сверхнизкочастотных гравитационных волн, потому что MeerKAT — самый чувствительный телескоп в Южном полушарии, используемый для хронометрирования. (Телескоп Arecibo более чувствителен, чем MeerKAT, чувствительность GBT почти такая же, а новый китайский телескоп FAST чувствительнее их всех – но эти радиотелескопы находятся в Северном полушарии.) MeerKATможет быть особенно полезен для хронометрирования тех пульсаров, которые испускают импульсы нерегулярно, то есть иногда дают сбои в периоде (глитчи) или меняется их излучение в радио- и рентгеновском диапазоне. На сегодняшний день существует лишь несколько хорошо хронометрированных пульсаров – в основном благодаря тому, что астрономы долго собирали данные о них. MeerKAT сможет значительно увеличить количество хорошо хронометрированных пульсаров и выполнить эти наблюдения за гораздо более короткий период, поскольку его чувствительность позволит получить тот же результат намного быстрее15.
Даже если астрономы не обнаружат гравитационные волны с помощью антенных систем для хронометрирования пульсаров, эти антенные системы могут оказаться полезными для некоторых других приложений, например для создания эталона времени на основе тайминга пульсаров. В настоящее время лучший стандарт на Земле – международное атомное время на базе атомных часов. Но всегда ли эти часы верны? “У нас есть множество атомных часов на Земле, показания которых усредняют, чтобы определить время. Но как их сравнить?” – задается вопросом Джордж Хоббс, астрофизик из исследовательского центра CSIRO в Сиднее. “Даже если вы сделали лучшие часы, вы не сможете их ни с чем сравнить”. В 2012 году он и его коллеги выдвинули предложение использовать первую шкалу времени на основе пульсаров –