Исследование, опубликованное в Astrophysical Journal Letters, однажды может помочь раскрыть некоторые из глубочайших тайн Вселенной, включая то, как гравитация работает на самом фундаментальном уровне.

"Мы можем многому научиться, получив эти точные измерения гравитационных волн", - сказал Дарлинг, профессор кафедры астрофизических и планетарных наук. "Различные разновидности гравитации могут привести к появлению множества различных видов гравитационных волн".

Чтобы понять, как работают такие волны, полезно представить Землю в виде маленького буя, покачивающегося в штормовом океане.

Дарлинг объяснил, что на протяжении всей истории Вселенной бесчисленные сверхмассивные черные дыры участвовали в изменчивом танце: эти гиганты вращались вокруг друг друга все быстрее и быстрее, пока не столкнулись. Ученые подозревают, что возникающие в результате столкновения настолько мощны, что они в буквальном смысле порождают рябь, которая распространяется по Вселенной.

Этот фоновый шум постоянно витает над нашей планетой, хотя вы никогда об этом не узнаете. Виды гравитационных волн, которые Дарлинг стремится измерить, как правило, очень медленные и проходят мимо нашей планеты в течение многих лет или десятилетий.

В 2023 году команда ученых, входящих в коллаборацию NANOGrav, добилась успеха, измерив этот объем космических волн. Группа зафиксировала, как фон гравитационных волн Вселенной растягивал и сжимал пространство-время, влияя на свет, приходящий на Землю от небесных объектов, известных как пульсары, которые действуют чем-то вроде космических часов.

Но эти подробные измерения зафиксировали только то, как гравитационные волны движутся в одном направлении - сродни волнам, текущим непосредственно к береговой линии и от нее. Дарлинг, напротив, хочет увидеть, как гравитационные волны также движутся из стороны в сторону, вверх и вниз по сравнению с Землей.

В своем последнем исследовании астрофизик получил помощь от другого класса небесных объектов: квазаров, или необычно ярких сверхмассивных черных дыр, расположенных в центрах галактик. Дарлинг ищет сигналы от гравитационных волн, точно измеряя, как квазары движутся по сравнению друг с другом в небе. Он еще не заметил этих сигналов, но это может измениться по мере поступления большего количества данных.

"Гравитационные волны действуют в трех измерениях", - сказал Дарлинг. "Они растягивают и сжимают пространство-время вдоль линии нашего обзора, но они также заставляют объекты казаться движущимися взад и вперед по небу".

Галактики в движении

Исследование углубляется в общеизвестно сложную задачу изучения движения небесных объектов - область, известную как астрометрия.

Дарлинг объяснил, что квазары находятся на расстоянии миллионов световых лет или более от Земли. Поскольку свечение от этих объектов ускоряется по направлению к Земле, оно не обязательно распространяется по прямой линии. Вместо этого проходящие гравитационные волны будут отклонять этот свет, почти как бейсбольный питчер, бросающий мяч по кривой.

Эти квазары на самом деле не движутся в космосе, но с Земли они могут выглядеть так, как будто они движутся - своего рода космическое колебание, происходящее повсюду вокруг нас.

"Если бы вы прожили миллионы лет и действительно могли наблюдать эти невероятно крошечные движения, вы бы увидели, как эти квазары покачиваются взад-вперед", - сказал Дарлинг.

По крайней мере, такова теория. На практике ученые изо всех сил пытались наблюдать за этими колебаниями. Отчасти это объясняется тем, что эти движения трудно наблюдать, поскольку требуется точность, в 10 раз превышающая ту, которая потребовалась бы для наблюдения с Земли за человеческим ногтем, растущим на Луне. Но наша планета тоже движется в космосе. Наша планета обращается вокруг Солнца со скоростью примерно 67 000 миль в час, а само солнце несется в космосе со скоростью 850 000 миль в час.

Другими словами, обнаружение сигнала от гравитационных волн требует отделения собственного движения Земли от видимого движения квазаров. Чтобы начать этот процесс, Дарлинг воспользовался данными со спутника Gaia Европейского космического агентства. С момента запуска Gaia в 2013 году ее научная команда опубликовала результаты наблюдений более миллиона квазаров примерно за три года.

Дарлинг провел эти наблюдения, разделил квазары на пары, затем тщательно измерил, как эти пары двигались относительно друг друга.

Его выводы пока недостаточно детальны, чтобы доказать, что гравитационные волны заставляют квазары колебаться. Но, по словам Дарлинга, это важный поиск - разгадка физики гравитационных волн, например, могла бы помочь ученым понять, как эволюционируют галактики в нашей Вселенной, и помочь им проверить фундаментальные предположения о гравитации.

Астрофизик вскоре мог бы получить некоторую помощь в этом стремлении. В 2026 году команда Gaia планирует опубликовать результаты наблюдений квазаров за пять с половиной лет, предоставив новую коллекцию данных, которые могут просто раскрыть секреты гравитационно-волнового фона Вселенной.

"Если мы сможем увидеть миллионы квазаров, тогда, возможно, мы сможем найти эти сигналы, спрятанные в этом очень большом наборе данных", - сказал он.