Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Более того, миллисекундные пульсары часто входят в двойные системы. Необходимо учитывать их орбитальное движение, также влияющее на время прибытия импульсов. Нужно корректировать и движение вашего радиотелескопа в пространстве. Собственное вращение Земли, ее движение по орбите вокруг Солнца, мелкие гравитационные возмущения со стороны других планет Солнечной системы, приливно-отливные явления, движение Солнца по Млечному Пути, даже континентальный дрейф – необходимо учитывать все. Для этого нужно точно смоделировать все возможные влияния и очистить от них измерения. Все оставшиеся отклонения от равномерного потока импульсов могут быть вызваны гравитационными волнами.

В принципе, этот эксперимент можно поставить с единичным миллисекундным пульсаром. Но тогда нельзя быть уверенным, что действительно измеряешь гравитационные волны, а не что-нибудь еще. Пульсаров должно быть больше – и чем больше, тем лучше. Желательно случайным образом распределенных по всему небу. Нужно очень внимательно наблюдать за ними годами, а лучше десятилетиями. Чем дольше ведутся наблюдения, тем точнее эксперимент. Знание расстояний до пульсаров значительно облегчает анализ результатов наблюдений. Возможно, вы найдете пару источников наногерцовых гравитационных волн, выделяющихся из хаотичных фоновых сигналов, – относительно близко расположенные двойные системы сверхмассивных ЧД.

Большим преимуществом решеток наблюдения за пульсарами является то, что это бесплатный «инструмент». В галактике Млечный Путь множество сверхточных часов. Не нужно конструировать и строить сложные и дорогие лазерные интерферометры. Все, что нужно, – достаточно большой радиотелескоп (подойдет уже существующий) и электроника, чтобы выделять из данных наблюдений сигналы пульсаров и точно измерять время прибытия импульсов. Это весьма сложная задача, но не обязательно требующая затрат сотен миллионов долларов. Можно сказать, изучение временной динамики пульсаров – метод поиска гравитационных волн «для бедных».

Поиск потребует настойчивости и терпения. Это наука неторопливых. Начав проект сегодня, не надейтесь получить результаты раньше чем через 10–15 лет. Во всяком случае, об этом свидетельствует австралийский проект «Решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров в Парксе» (Parks Pulsar Timing Array, PPTA) [97] Решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров Паркс (РРТА): http://www.atnf.csiro.au/research/pu;sar/ppta . . Официально он стартовал в 2004 г., но до сих пор не зарегистрировал ничего существенного. Команда в 30 с лишним человек и их руководитель Джордж Хоббс из Австралийского национального комплекса телескопов терпеливо продолжают сбор данных, пытаясь повысить точность эксперимента.

В проекте РРТА используется только один инструмент – 64-метровая «Тарелка» в Парксе (слово «решетка» относится к массиву пульсаров, а не телескопов). В промежутках между другими программами наблюдения огромный радиотелескоп направляют на два десятка миллисекундных пульсаров и по каждому проводят временны́е измерения продолжительностью в несколько минут. При частоте импульсов, скажем, 200 Гц пять минут – это 60 000 импульсов. Каждый радиоимпульс может длиться около десятой доли миллисекунды и отличаться от других. Но в среднем, имея более 60 000 импульсов, можно определить период пульсаций с точностью порядка 100 нс, или 1/10 000 миллисекунды.

Аналогичные наблюдения ведутся в Европе. В проекте «Европейская решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров» (European Pulsar Timing Array, ЕРТА) [98] Европейская решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров (ЕРТА): http://www.epta.eu.org . Вестерборкская система апертурного синтеза: http://www.astron.nl/radio-observatory/public/public-0 . Североамериканская наногерцовая гравитационно-волновая обсерватория (NANOGrav): http://nanograv.org . , начавшемся в 2006 г., участвуют пять радиообсерваторий. Один из инструментов – прославленный 76-метровый телескоп им. Б. Ловелла британской Обсерватории Джодрелл-Бэнк – начал наблюдение за пульсарами в 1969 г., вскоре после эпохального открытия Джоселин Белл. Еще более крупным инструментом является 100-метровая тарелка в германском Эффельсберге. Вестерборкская система апертурного синтеза в Нидерландах – линейка из 14 25-метровых чаш-антенн – работает с пульсарами с 1999 г. Четвертым участником ЕРТА стал гигантский дециметровый радиотелескоп в Нансе в центральной Франции. Наконец, в 2014 г. к коллаборации присоединился недавно построенный 64-метровый радиотелескоп в итальянской Сардинии.

Наблюдение за одними и теми же пульсарами с помощью трех и более телескопов имеет большое преимущество. Если у вас только один телескоп, технический сбой может исказить данные, и вы об этом даже не узнаете. При наличии двух телескопов вы по крайней мере заметите непорядок, поскольку два инструмента дадут разные результаты, но не будете знать, с каким из них возникла проблема. С тремя вы застрахованы от неприятностей. Пять европейских телескопов сильно отличаются конструктивно, и объединить их базы данных непросто. Но к настоящему моменту европейские исследователи пульсаров стандартизировали хронометрическое оборудование и усовершенствовали процесс измерений.

С 2007 г. два больших американских радиотелескопа – гигантская тарелка Аресибо в Пуэрто-Рико и 100-метровый телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии – официально работают вместе, наблюдая за временны́ми параметрами решетки пульсаров. Североамериканская наногерцовая гравитационно-волновая обсерватория (NANOGrav), как был назван этот проект, объединяет несколько десятков радиоастрономов из 15 университетов и институтов. Три группы (РРТА, ЕРТА и NANOGrav) действуют в тесном сотрудничестве в рамках коллаборации International Pulsar Timing Array, IPTA [99] Международная решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров (IPTA): http://www.ipta4gw.org ; Stephen R. Taylor et al., “Are We There Yet? Time to Detection of Nanohertz Gravitational Waves Based on Pulsar-Timing Array Limits” (Стивен Р. Тейлор и др. Мы уже готовы? Время регистрации гравитационных волн с учетом ограничений решетки для наблюдения за временной динамикой пульсаров), Astrophysical Journal Letters 819, no. 1 (2016): L6. .

Несколько лет назад радиоастрономы еще питали тайную надежду найти прямые доказательства существования волн Эйнштейна раньше физиков LIGO и Virgo. В 2010 г. и 2011 г. два лазерных интерферометра закрылись на масштабную реконструкцию. На тот момент они не обнаружили гравитационных волн, и усовершенствованные детекторы должны были вернуться в строй не ранее 2015 г. и 2016 г., тогда как наблюдения за пульсарами не прерывались. В 2013 г. главный исследователь NANOGrav Ксавье Сименс и его коллеги даже опубликовали в Classical and Quantum Gravity оптимистичную статью, начинавшуюся утверждением, что «регистрация возможна в течение десятилетия и может произойти уже в 2016 г.».