Гравітаційно-хвильовий фон () — стохастичний фон гравітаційних хвиль, що пронизують Всесвіт. Гравітаційно-хвильовий фон може походити як від стохастичних процесів у ранньому Всесвіті, так і від некогерентної суперпозиції великої кількості слабких незалежних джерел гравітаційних хвиль, наприклад, від подвійних надмасивних чорних дір. Вивчення гравітаційно-хвильовиго фону може надати інформацію, недоступну іншим методам дослідження, наприклад, про подвійні надмасивні чорні діри, космологічну інфляцію та гіпотетичні космічні струни. Перша реєстрація гравітаційно-хвильового фону була здійснена 2023 року за допомогою масиву таймінгу пульсарів.
Джерела стохастичного фону Існують гіпотези про кілька потенційних джерел для гравітаційно-хвильового фону в різних частотних діапазонах, причому кожне джерело створює фон з різними статистичними властивостями. Джерела стохастичного фону можна умовно розділити на дві категорії: астрофізичні та космологічні.
Астрофізичні джерела Астрофізичний фон створюється накладанням шумів багатьох слабких незалежних астрофізичних джерел. Очікується, що ключовим джерелом стохастичного фону для нинішнього покоління наземних детекторів гравітаційних хвиль, найбільш чутливих до частот 10-1000 Гц, є злиття нейтронних зір і подвійних чорних дір зоряних мас. Детектори LIGO і Virgo вже виявили окремі події гравітаційних хвиль від таких злиттів чорних дір. Однак має існувати й велика популяція злиттів чорних дір, які не можна розрізнити окремо, і які будуть створювати випадковий шум в детекторах. Іншим астрофізичним джерелом гравітаційно-хвильового фону може бути колапс масивних зір з утворенням чорних дір або нейтронних зір.
Інший спосіб спостереження гравітаційно-хвильового фону - використання масивів таймінгу пульсарів, таких як Європейський масив таймінгу пульсарів (EPTA), Північноамериканська наногерцева обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav) і Парксівський масив таймінгу пульсарів (PPTA), обʼєжнані в Міжнародний масив таймінгу пульсарів. Ці проєкти використовують радіотелескопи для спостереження за масивом мілісекундних пульсарів, який утворює детектор галактичного масштабу, чутливий до гравітаційних хвиль з низькими частотами в діапазоні від наногерц до 100 наногерц. При використанні існуючих телескопів для виявлення сигналу потрібно багато років спостережень, і з часом, по мірі накопичення даних, чутливість детектора поступово підвищується. Гравітаційно-хвильовий фон в цьому діапазоні частот може створюватись подвійними надмасивними чорними дірами, які утворюються в ході злиття галактик.
Космологічні джерела Космологічний фон може виникати з кількох джерел у ранньому Всесвіті. Деякі приклади цих первісних джерел включають змінні в часі інфляційні скалярні поля в ранньому Всесвіті, механізми «попереднього нагрівання» після інфляції, що включають передачу енергії від частинок інфлятону до звичайної матерії, фазові переходи в ранньому Всесвіті (такі як електрослабкий фазовий перехід), космічні струни і т.д. Хоча ці джерела більш гіпотетичні, їхнє виявлення стало б відкриттям нової фізики та мало б значний вплив на космологію раннього Всесвіту та фізику високих енергій.
Спостереження
28 червня 2023 року Північноамериканська наногерцева обсерваторія гравітаційних хвиль оголосила про реєстрацію гравітаційно-хвильового фону, використовуючи дані спостережень із масиву мілісекундних пульсарів. В той самий день були опубліковані спостереження Європейського масиву таймінгу пульсарів, обсерваторії Паркса і Китайського масиву таймінгу пульсарів, які підтверджували ті ж результати, використовуючи інші телескопи та інші методи аналізу результатів. Ці спостереження забезпечили перше вимірювання теоретичної кривої Геллінгса — Даунса, тобто квадрупольної кореляції між двома пульсарами як функції їхньої кутової відстані на небі, що є ознакою реєстрації сигналу від гравітаційних хвиль. Джерело цього фону наразі не встановлено, і для перевірки різних моделей потрібні додаткові спостереження.
Див. також
Реліктове випромінювання Нейтринне реліктове випромінювання Гравітаційно-хвильова астрономія
Посилання Gravitational Wave Experiments and Early Universe Cosmology
Примітки